EP1088153B1 - Displacement machine based on the spiral principle - Google Patents

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Publication number
EP1088153B1
EP1088153B1 EP00901476A EP00901476A EP1088153B1 EP 1088153 B1 EP1088153 B1 EP 1088153B1 EP 00901476 A EP00901476 A EP 00901476A EP 00901476 A EP00901476 A EP 00901476A EP 1088153 B1 EP1088153 B1 EP 1088153B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
eccentric
lubricant
drive shaft
strips
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00901476A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1088153A1 (en
Inventor
Fritz Spinnler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CRT Common Rail Technologies AG
Original Assignee
CRT Common Rail Technologies AG
CRT Common Rail Tech AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CRT Common Rail Technologies AG, CRT Common Rail Tech AG filed Critical CRT Common Rail Technologies AG
Publication of EP1088153A1 publication Critical patent/EP1088153A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1088153B1 publication Critical patent/EP1088153B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02Rotary-piston machines or engines 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
    • F01C1/0207Rotary-piston machines or engines 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
    • F01C1/0215Rotary-piston machines or engines 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 only one member is moving
    • F01C1/0223Rotary-piston machines or engines 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 only one member is moving with symmetrical double wraps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F01C11/004Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger

Definitions

  • the invention relates to a positive displacement machine for compressible media with two spiral conveying spaces arranged opposite one another in a fixed housing and with spiral displacement bodies engaging in these conveying spaces, consisting essentially of a central disc and spiral strips attached to each side of the disc, which are held eccentrically in relation to the housing are that during operation each point of the displacer executes a movement which is limited by the cylinder walls of the delivery chamber and is circular or elliptical-like, depending on the design of the guide device, and that the curvature of the strips is dimensioned such that they align the inner cylinder walls and the outer cylinder walls of the delivery chamber almost touches on at least one ledge of a sealing line that progresses continuously during operation, with an eccentric to guide the displacer relative to the housing arrangement, essentially consisting of a drive shaft and an eccentric disk arranged thereon, is provided.
  • Displacement machines of the spiral type are known for example from DE-C-26 03 462.
  • Machines of this type are mainly used as compressors for gaseous media.
  • a number of roughly crescent-shaped work spaces are enclosed along a displacement chamber between the spiral-shaped displacement body and the two cylinder walls, which work spaces move from an inlet through the displacement chamber to an outlet, their volume constantly decreasing and the pressure of the working medium is increased accordingly.
  • a machine of the type mentioned at the outset, in which the spirals span an entire wrap angle of 360 ° or more, is known from DE 35 14230 A1.
  • the spiral strips, axially protruding, are arranged on both sides on a disk having a hub for mounting the eccentric crank mechanism.
  • the arrangement of the spiral strips is such that when the disk rotates in a circular manner, the resulting working chambers on both sides of the disk reduce their volume and the working medium is compressed.
  • the strips are arranged symmetrically with respect to the pane.
  • US-A-4677949 discloses a displacer for compressible media with two spiral conveying spaces arranged in a housing opposite one another and a displacer body engaging in these conveying spaces with a central disk and spirally attached strips which are composed of successive circular arc segments.
  • the spiral strips converge radially inwards and, with the central disc, form radially inner high-pressure spaces in the conveying spaces.
  • a conveying chamber is designed for the compression of a working medium and the opposite conveying chamber for expanding the working medium.
  • the working fluid first arrives from an inlet in a delivery chamber, is compressed there radially inwards by displacement, then pressed into the second delivery chamber by a valve, relaxes radially outwards there on the way through the delivery chamber and is discharged from the second through an outlet Discharge chamber.
  • a displacement machine described in US-A-5094205 has a circumferential center disk with strips, which is arranged in the interior of an engine and form a compression delivery chamber and an expansion delivery room.
  • the strips form high and low pressure spaces in the conveying spaces filled with a working medium, which have a larger volume radially on the outside than radially on the inside.
  • the center disk has an opening radially on the inside in order to transfer the working fluid, an air / fuel mixture, introduced through an inlet from the compression delivery chamber into the expansion delivery chamber. There, the air-fuel mixture is ignited, expanded and the exhaust gases are discharged from the expansion delivery chamber through an outlet.
  • expansion machines are used in addition to the compression machines to exploit the residual pressure drop, which results in an improvement in the overall machine efficiency.
  • Such processes are operated with commercially available compression and expansion machines in order to maintain the good efficiency of the oxidation of hydrogen in the fuel cell.
  • the invention has for its object to configure a machine of the type mentioned in such a way that the working medium can be both compressed and expanded with only one displacement body circling in a housing, and with high compression pressure ratio heat transport from the inner hot end of the compressor-side strip through the center disc to the cold inner end of the expander-side bar.
  • spiral strips attached to the center disk of the displacer on both sides are accordingly designed in such a way that on one side of the disk the volume of the work space enclosed by these strips and the associated conveying space is reduced as the displacement of the displacer progresses during machine operation. On the other side of the disc, the volume of the working space enclosed by this strip and the associated conveying space increases.
  • the spiral strips, which are attached on both sides to the central disc of the displacer body, are asymmetrically attached to one another in comparison to the solutions known from the prior art.
  • the compressor-side delivery chamber generally extends from a low-pressure inlet arranged radially on the outside to a high-pressure outlet located radially on the inside. If, according to the prior art, the expansion-side delivery space now extends from a radially inner high-pressure space to a radially outside low-pressure outlet, the working medium on the compressor-side is - in the radial direction - conveyed against the direction of the working medium on the expanding side. This has the advantage that the loads on the center disk caused by the gas pressures and the spiral strips on the compressor and expander sides are approximately symmetrical.
  • the expansion-side delivery space also extends from a radially outer inlet to a radially inner low-pressure space
  • the working medium on the compressor side - viewed in the radial direction - is conveyed in the same direction as the working medium on the expanding side.
  • the inner ends of the spiral strips, viewed in the radial direction come to lie on the expander side with respect to the center disk approximately opposite the inner ends of the spiral strips, also viewed in the radial direction.
  • the connection of the inner ends of the spiral strips to the center disk is highly stressed during machine operation and is more or less hot depending on the pressure ratio on the compressor side.
  • This arrangement has the advantage that when such a machine is used with a high compression pressure ratio, heat can be transported from the inner hot end of the compressor-side bar through the center disk to the cold inner end of the expander-side bar.
  • This arrangement becomes important if a light metal with good heat conductivity is used for the production of the displacer. By Such light materials result in a relatively low centrifugal force of the displacer component in machine operation.
  • the hub of the disk is surrounded on the compressor side by a high-pressure space, it is expedient for the interior of the hub to be sealed airtight with respect to this high-pressure space.
  • a counterweight - provided for compensating the eccentric movement of the eccentric disc and the displacer - can advantageously be arranged on the drive shaft in the pressure chamber surrounding the hub on the expander side. The advantage of such an arrangement is the absolute separation of the lubricating oil from the compressed air.
  • an intermediate housing is attached to the housing of the electric motor on the side of the electric motor facing away from the displacer, into which intermediate housing the one with a lubricant -Drive device provided drive shaft, and that a housing for a lubricant supply is attached to the intermediate housing.
  • Such an arrangement with an intermediate housing is advantageous for accommodating, for example, a combined reduction and synchronization gear, which projects into the oil reservoir and is thus lubricated.
  • the two eccentric shafts are provided with gear wheels of the same size. These are driven and synchronized by a third gear.
  • the third gear is preferably smaller and sits on the shaft of the drive motor. This builds small as a fast rotating electric motor. The weight of the entire compressor expander unit is therefore lower compared to the use of an electric motor which rotates at the same speed as the compressor expander.
  • the compressor / expander machine as a whole is designated by 1 in FIGS. 1 and 6.
  • the indices "a” in the reference symbols are for the compressor side; the indices "b” are used for the expander side of 1.
  • a spiral-shaped displacement body is arranged on both sides of the disk 2. These are strips 3a, 3b which are held vertically on the pane 2. In the example shown, the spiral itself is formed from a plurality of circular arcs adjoining one another. 4 with a hub is designated with which the disc 2 is mounted on an eccentric bearing 17. 1, 4 and 6 show the bearing 17, which is seated on an eccentric disk 23, which in turn is part of a drive shaft 24. In FIG. 4, 5 denotes an eye arranged radially outside of the strips 3a, 3b for receiving a guide bearing 25 which is mounted on a bolt 26a. This in turn is part of a guide device 49 which, for. B.
  • rocker 56 consists of a rocker 56, one end of which is rotatable about the axis 50 by means of bolts 26b and bearings 27 in the housing 7a, 7b. The other end engages in the eye 5 of the rotor via the bolt 26a and the bearing 25.
  • openings 6a are provided at the spiral outlet on the compressor side in the housing half 7a so that the medium can be drawn off through the central outlet 13 arranged on one side.
  • FIG. 1 shows the machine housing 7a, 7b, which is composed of two halves and is connected to one another via fastening eyes 8a, 8b for receiving screw connections 8c.
  • 11a denotes the delivery space on the compressor side, which is worked into the housing half 7a in the manner of a spiral slot. It runs parallel from an outer circumference of the spiral in the housing half 7a arranged low pressure inlet 12 to a pressure space 33a provided inside the housing and to the high pressure outlet 13.
  • the delivery chamber 11a has essentially one or more approximately parallel, approximately equally spaced from each other Cylinder walls 51a, which in the present case, like the bar 3a of the disk 2, comprise a spiral. Between these cylinder walls 51a, the bar 3a engages, the curvature of which is dimensioned such that the bar 3a almost touches the inner cylinder wall 15a and the outer cylinder wall 14a, for example, at one point 21a (FIG. 5).
  • Fig. 2 shows an embodiment of the lateral sealing of the strip 3a with respect to the base surfaces of the spiral slot machined into the housing half 7a. This takes place e.g. by a touching sealing strip 28, which is incorporated into a groove provided in the strip 3.
  • the disk 2 is driven by the drive shaft 24 via the eccentric disk 23.
  • the disk 2 is guided by the guide device 49 (FIG. 4).
  • the guide device 49 consists of a rocker 56 or a guide shaft (not shown) running synchronously with the drive shaft 24, all points on the bar 3a carry out an elliptical-like or a circular displacement movement with an eccentricity "e" corresponding Deflection from. 4, the hub 4 cannot be seen, since this part of the disk 2 is shown in section.
  • the bearing 17 with which the disk 2 is guided on the eccentric disk 23 is shown here, for example, as a roller bearing.
  • Outer cylinder wall 14a of the associated delivery chamber 11a results in crescent-shaped workrooms enclosing the working medium on both sides of the ledge 3a, which are displaced by the delivery chamber 11a in the direction of the pressure chamber 33a and the central outlet 13 communicating therewith while the disk 2 is being driven.
  • the volumes of these working spaces are reduced and the pressure of the working fluid is increased accordingly.
  • the arrangement of the strip 3b on the expander side of the machine is analogous to that described above.
  • 11b denotes the conveying space on the expander side, which is also machined into the housing half 7b in the manner of a spiral slot. According to FIG. 3, it runs parallel from an outer circumference of the spiral in the housing to the low-pressure outlet 20 to an inlet provided in the housing interior, which part of the pressure chamber 33b in the Housing 7b is.
  • the conveying space 11b likewise has essentially parallel cylinder walls 51b, which are arranged at approximately the same distance from one another and which, in the present case, like the bar 3b of the disk 2, comprise a spiral. Between these cylinder walls 14b, 15b engages the bar 3b, the curvature of which is dimensioned such that the bar 3b almost touches the inner cylinder wall 15b and the outer cylinder wall 14b during operation, for example at one point 21b each.
  • the bar 3b is arranged on the disc 2 so that during machine operation due to the multiple alternating approach of the bar 3b to the inner cylinder wall 15b, respectively.
  • Outer cylinder wall 14b of the associated delivery chamber 11b results in crescent-shaped workrooms enclosing the working medium on both sides of the strip 3a. These working spaces move while the disk 2 is being driven through the conveying chamber 11b in the direction of the central outlet 20. This increases the volumes of these working spaces and the pressure of the working medium decreases in the expander part. Due to the expansion of the working medium located in the working spaces on the expander side, work is given to the bar 3b and thus the eccentric disk 23.
  • the compression and expansion functions are thus combined on a single component, which rotates in a fixed housing 7a, 7b and consists of disk 2, hub 4 and strips 3a and 3b.
  • Fig. 5 shows the arrangement of the strips 3a and 3b attached on both sides of the pane 2.
  • the direction of rotation of the drive shaft 24 with the counterweight 16a around the center of rotation 30 is clockwise.
  • the outer edge of the pane 2 and the bar 3b of the expander part are shown in dashed lines according to section 5'-5 'in FIG. 1.
  • the spiral wall 51b in the housing half 7b is not shown.
  • the arrangement of the bar 3a on the compressor side compared to the bar 3b on the expander side can be seen.
  • the drive shaft is supported with a support bearing 9a in a bearing receptacle 52a in the housing half 7a.
  • the bearing holder 52a is connected to the housing half via supports 29a.
  • the bearing is sealed against the pressure chamber 33a by means of a shaft seal 33a.
  • the openings 6a are located between the supports 29a.
  • the working medium is to flow via the high-pressure inlet 19 into the inner pressure chamber 33b of the expander part on the expander side.
  • the drive shaft is guided in the housing half 7b by means of a support bearing 9b which is supported with the housing half 7b by means of a bearing receptacle 52b with the ribs 29b.
  • the openings 6b are located between the supports and provide access for the working medium to the pressure chamber 33b on the expander side.
  • the disk 2 is guided on the eccentric disk 23 via the eccentric bearing 17, onto which the hub 4 is mounted and which, for example, is opposite the pressure chambers 33a and 33b. is sealed with shaft seals 18.
  • With 31 the center of the eccentric 23 is designated. This center is spaced from the rotation center 30 by an eccentricity "e”.
  • Counterweights 16a and 16b are attached to the drive shaft 24, which ensure a balanced running of the machine.
  • FIG. 6 shows a variant of the compressor / expander machine with a drive motor, preferably an electric motor.
  • the housing 66 of the motor has threaded eyes 8b 'into which screw connections 8c engage. Together with an intermediate housing 54 on the expander side and the housing halves 7a and 7b, the compressor / expander machine 1 is connected to the electric motor to form a machine.
  • the entry-side guidance of the working medium to be expanded in the intermediate housing 54 must take into account the fact that the working medium in the expansion part of the compressor / expander machine, viewed in the radial direction, flows from the inside to the outside; it must be fed into the center of the expansion side of the displacement machine.
  • the schematically illustrated solution shows that the working medium enters the intermediate housing 54 at the high pressure inlet 55 and passes through openings 99 into an annular space 32.
  • This space 32 is sealed on the side of the compressor / expander machine 1 by the shaft 24 with a support bearing 58 and on the side of the electric motor by a shaft seal 62 against the ambient pressure prevailing in the interior of the electric motor housing 63.
  • the shaft seal 62 engages on a thickening 44 attached to the drive shaft.
  • the annular space 32 is connected to the pressure space 33b via openings 57 in the shaft 24, so that the working medium to be expanded can reach the interior 33b of the expander part.
  • Carrying out the working fluid through the openings in the shaft 24 is expedient because the entire drive shaft with the rotor 64 of the electric motor is only guided with two support bearings 58, 93. Furthermore, in contrast to the embodiment according to FIG. 1, only a counterweight 16 is to be attached to the shaft 24, specifically on the expander side. In order to ensure the bending stiffness of the drive shaft 24, which is necessary for stable running of the machine, the drive shaft 24 is dimensioned with a relatively large diameter in the region of the support bearing 58. The provision of openings 57 (see also FIGS. 7 and 8) in the rigid part for the introduction of the working medium to be expanded is expedient.
  • the support bearing 58 is designed in the example shown in FIG. 6 as a roller bearing, on the outer ring of which a position ring 59 is attached, which in a z. B. recess in the housing half 7b and is clamped by the intermediate housing 54.
  • the inner ring of the roller bearing 58 is in contact with the drive shaft 24 on one side on a collar 82 and on the other side a ring 83. With this arrangement, the drive shaft 24 is guided axially relative to the housing parts 7a, 7b, 54 and 66.
  • a lubricant container 68 with the lubricant supply 69 is arranged on the side of the electric motor opposite the compressor / expander unit 1, which essentially consists of the housing 66 and the rotor 64.
  • a device that generates a lubricant flow for lubricating and cooling the highly loaded eccentric bearing 17 is necessary because the compressor / expander machine is to be small in relation to the flow of working fluid being conveyed and is therefore operated at high speed. This results in the aforementioned high load on the eccentric bearing 17.
  • the lubricant circuit is as follows.
  • the container 68 encloses a housing 71, which receives the support bearing 93 of the shaft 24 facing away from the compressor / expander unit. Furthermore, a lubricant delivery device 72 (not described in more detail here) is mounted in the housing 71 on the drive shaft 24 and driven by the latter. This lubricant delivery device 72 sucks the lubricant out of the supply 69 via a suction line 79 and conveys it into a space 73 under increased pressure.
  • an insert 75 is installed in a central bore 76, which in turn has a central delivery bore 74. This is connected to the space 73 on the lubricant supply side.
  • the delivery bore 74 ' is connected to a bore 88 arranged radially in the eccentric disk 23.
  • the bore 88 opens at its radially outer end directly into the eccentric bearing 17 and supplies it with lubricant.
  • this bearing is shown as a plain bearing; In the hub 4, a plain bearing bush 17 'is drawn in.
  • the hub 4 is with a closure 60 relative to the space 33a, respectively. the outlet 13 closed.
  • This closure ensures that the lubricant is completely separated from the working fluid.
  • the work equipment can thus be pumped completely without lubricants.
  • This is in contrast to the embodiment according to FIG. 1, in which the arrangement of the shaft seals 10a and 18 on the compressor side can lead to lubricant escaping into the space 33a; Shaft seals cannot seal completely.
  • the lubricant can escape from the eccentric bearing 17 into the space 80 created by the closure 60.
  • the lubricant escapes from the opposite side of the bearing 17 into an annular space 53c, which seals against the expander-side pressure space 33b by means of a shaft sealing ring 18.
  • the lubricant collecting spaces 53c and 80 are each connected to the lubricant return channel 77 in the shaft 24 via a bore 81.
  • This channel is created by an insert 75 which is tapered in its middle part on the outer circumference. In FIG. 7, the insert 75 is shown in section in the tapered section (section 7-7 in FIG.
  • a radial bore 77c is machined into the shaft 24.
  • the lubricant can pass into an annular collecting space 45 through this bore.
  • the collecting space 45 is machined into the housing 66 and is formed together with a shaft sealing ring 78 and the feed pump housing of the lubricant delivery device 72 and the shaft 24.
  • a bore 90 is made in the housing 66, through which the back-flowing lubricant can flow back into the reservoir 69.
  • the compression of the gaseous working medium results in an increase in temperature in the space 33a compared to the temperature prevailing in the low-pressure inlet 12.
  • the higher temperature in the room 33a acts on the hub part 4 with closure 60 circling in this room.
  • the lubricant also has the task the heat dissipation from the hub portion 4 with closure 60.
  • the lubricant flowing back into the reservoir 69, as described above, must absorb its heat there, e.g. B. can deliver to the environment.
  • FIG. 6 An embodiment for heat dissipation is also shown in FIG. 6.
  • electric motors often have a fan wheel 67 which is mounted on the shaft 24 in the present example.
  • the cooling air flow 85 reaches the interior of the electric motor and, depending on the strength of the cooling air flow 85 generated by the impeller 67, experiences a more or less strong temperature increase.
  • the fan wheel is dimensioned strong enough, there is an advantageous embodiment for the cooling of the lubricant in the reservoir 68.
  • FIG. 8 A variant for removing the heat from the lubricant is shown in FIG. 8.
  • the drawing schematically shows a wall part 94 of the housing 7b, which is designed such that a container 95 is formed. This container is located in the region of the outer end 98 of the cylinder wall 51 b, viewed in the direction of flow.
  • the supply and discharge of the lubricant to and from the container 95 takes place via external lines 96, 97 (not described in more detail), which can be connected to a lubricant delivery device 72, as shown in FIG. 6.
  • the arrangement takes advantage of the fact that the temperature decreases as the gaseous working medium expands.
  • the temperature at the entry of the working fluid into the space 33b is relatively low, provided that no special devices are used which measure the temperature of the working fluid in the high-pressure inlet 19 or. 55, 33b of the expansion machine.
  • Such devices can consist, for example, of a heat exchanger which transfers the heat of the compressed air to the Outlet 13 to the work equipment to be expanded before the inlet 19, respectively. Release 55, 33b and heat this to increase the ability to expand.
  • FIGS. 1, 3 and 6 show the example of the invention in which the expansion of the working medium takes place from the radially outside to the radially inside.
  • the high pressure gas flows through an opening 55 into the high pressure space 33b.
  • the expanded gas flows through openings 57 in the shaft 24 from the low-pressure interior of the expander part.
  • the invention is not limited to the machine previously shown and described.
  • the electric motor can also engage between two shafts with spaced axes of rotation 30 and 104 instead of on the drive shaft 24.
  • FIG. 10 shows the displacer consisting of the disk 23 and the strips 3b with the wheel drive.
  • This consists of a drive wheel 100, a wheel on the drive motor 101, and a synchronization wheel 102.
  • 103 shows a toothing on the wheel. The identical toothing is also provided for the wheels 101 and 102 but is not shown here.
  • the axis of the drive motor is designated by 108, that of the guide eccentric arrangement by 104.
  • B. a known radially elastic and tangentially rigid connection 105 to the eye 106.
  • the eye 106 has its center at 107, which circles with the eccentricity "e" around the center of rotation 104 in machine operation.

Landscapes

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Description

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompressible Medien mit zwei in einem feststehenden Gehäuse gegenüberliegend angeordneten spiralförmigen Förderräumen und mit in diese Förderräume eingreifenden spiralförmigen Verdrängerkörper, bestehend im wesentlichen aus einer Mittelscheibe und auf jeder Seite der Scheibe angebrachten spiralförmigen Leisten, die gegenüber dem Gehäuse exzentrisch derart gehalten sind, dass während des Betriebes jeder Punkt des Verdrängerkörpers eine von den Zylinderwänden des Förderraumes begrenzte, je nach Ausführung der Führungseinrichtung kreisförmige oder ellipsenähnliche Bewegung ausführt, und dass die Krümmung der Leisten so bemessen ist, das sie die inneren Zylinderwände und die äusseren Zylinderwände des Förderraumes an jeweils mindestens je Leiste einer beim Betrieb kontinuierlich fortschreitenden Dichtungslinie nahezu fast berührt, wobei zur Führung des Verdrängerkörpers gegenüber dem Gehäuse eine Exzenteranordnung, im wesentlichen bestehend aus einer Antriebwelle und einer darauf angeordneten Exzenterscheibe, vorgesehen ist.The invention relates to a positive displacement machine for compressible media with two spiral conveying spaces arranged opposite one another in a fixed housing and with spiral displacement bodies engaging in these conveying spaces, consisting essentially of a central disc and spiral strips attached to each side of the disc, which are held eccentrically in relation to the housing are that during operation each point of the displacer executes a movement which is limited by the cylinder walls of the delivery chamber and is circular or elliptical-like, depending on the design of the guide device, and that the curvature of the strips is dimensioned such that they align the inner cylinder walls and the outer cylinder walls of the delivery chamber almost touches on at least one ledge of a sealing line that progresses continuously during operation, with an eccentric to guide the displacer relative to the housing arrangement, essentially consisting of a drive shaft and an eccentric disk arranged thereon, is provided.

Stand der TechnikState of the art

Verdrängermaschinen der Spiralbauart sind beispielsweise aus der DE-C-26 03 462 bekannt. Maschinen nach dieser Bauart werden vorwiegend als Verdichter für gasförmige Medien eingesetzt. Während des Betriebes der Maschine werden entlang einer Verdrängerkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Zylinderwänden mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von einem Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zu einem Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels entsprechend erhöht wird.Displacement machines of the spiral type are known for example from DE-C-26 03 462. Machines of this type are mainly used as compressors for gaseous media. During operation of the machine, a number of roughly crescent-shaped work spaces are enclosed along a displacement chamber between the spiral-shaped displacement body and the two cylinder walls, which work spaces move from an inlet through the displacement chamber to an outlet, their volume constantly decreasing and the pressure of the working medium is increased accordingly.

Eine Maschine der eingangs genannten Art, bei der die Spiralen einen gesamten Umschlingungswinkel von 360° oder mehr umspannen, ist bekannt aus der DE 35 14230 A1. Bei einer solchen Maschine sind die spiralförmigen Leisten, axial abstehend, beidseitig auf einer eine Nabe zur Lagerung des exzentrischen Kurbeltriebes aufweisenden Scheibe angeordnet. Femer ist die Anordnung der spiralförmigen Leisten derart, dass bei der kreisenden Bewegung der Scheibe die entstehenden Arbeitskammern beidseitig der Scheibe ihr Volumen verkleinern und eine Verdichtung des Arbeitsmittels entsteht. In der Regel sind die Leisten symmetrisch in bezug auf die Scheibe angeordnet.A machine of the type mentioned at the outset, in which the spirals span an entire wrap angle of 360 ° or more, is known from DE 35 14230 A1. In such a machine, the spiral strips, axially protruding, are arranged on both sides on a disk having a hub for mounting the eccentric crank mechanism. Furthermore, the arrangement of the spiral strips is such that when the disk rotates in a circular manner, the resulting working chambers on both sides of the disk reduce their volume and the working medium is compressed. As a rule, the strips are arranged symmetrically with respect to the pane.

Die US-A-4677949 offenbart ein Verdrängermaschine für kompressible Medien mit zwei in einem Gehäuse gegenüberliegend angeordneten spiralförmigen Förderräumen und einem in diese Förderräume eingreifenden Verdrängerkörper mit einer Mittelscheibe und spiralförmig angebrachten Leisten, die aus aufeinanderfolgenden Kreisbogensegmenten zusammengesetzt sind. Die spiralförmigen Leisten laufen radial nach -innen zusammen und formen mit der Mittelscheibe in den Förderräumen radial innenliegende Hochdruckräume. Ein Förderraum ist für eine Verdichtung eines Arbeitsmittels und der gegenüberliegende Förderraum für eine Expansion des Arbeitsmittels ausgebildet. Das Arbeitsmittel gelangt zunächst von einem Einlass in einen Förderaum, wird dort durch Verdrängung radial nach innen komprimiert, dann durch ein Ventil in den zweiten Förderraum gepresst, entspannt sich dort auf dem Weg durch den Förderraum radial nach aussen und wird durch einen Auslass aus dem zweiten Förderraum entlassen.US-A-4677949 discloses a displacer for compressible media with two spiral conveying spaces arranged in a housing opposite one another and a displacer body engaging in these conveying spaces with a central disk and spirally attached strips which are composed of successive circular arc segments. The spiral strips converge radially inwards and, with the central disc, form radially inner high-pressure spaces in the conveying spaces. A conveying chamber is designed for the compression of a working medium and the opposite conveying chamber for expanding the working medium. The working fluid first arrives from an inlet in a delivery chamber, is compressed there radially inwards by displacement, then pressed into the second delivery chamber by a valve, relaxes radially outwards there on the way through the delivery chamber and is discharged from the second through an outlet Discharge chamber.

Eine in der US-A-5094205 beschriebene Verdrängermaschine weist eine umkreisende Mittelscheibe mit Leisten auf, die im Innenraum eines Motors angeordnet ist und einen Kompressions-Förderraum und einen Expansions-Förderraum bilden. Die Leisten formen in den Förderräumen mit einem Arbeitsmittel gefüllte Hoch- und Niederdruckräume, die radial aussen ein grösseres Volumen als radial innen aufweisen. Die Mittelscheibe besitzt radial innen eine Öffnung, um das durch einen Einlass eingeleitete Arbeitsmittel, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, aus dem Kompressions-Förderraum in den Expansions-Förderraum zu transferieren. Dort wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet, expandiert und die Abgase werden aus dem Expansions-Förderraum durch einen Auslass abgeführt.A displacement machine described in US-A-5094205 has a circumferential center disk with strips, which is arranged in the interior of an engine and form a compression delivery chamber and an expansion delivery room. The strips form high and low pressure spaces in the conveying spaces filled with a working medium, which have a larger volume radially on the outside than radially on the inside. The center disk has an opening radially on the inside in order to transfer the working fluid, an air / fuel mixture, introduced through an inlet from the compression delivery chamber into the expansion delivery chamber. There, the air-fuel mixture is ignited, expanded and the exhaust gases are discharged from the expansion delivery chamber through an outlet.

Für Arbeitsprozesse, die bei höherem Druck als dem Umgebungsdruck durchgeführt werden sollen und bei denen im Prozess selbst nur ein geringer Druckverlust entsteht, werden nebst den Verdichtungsmaschinen auch Expansionsmaschinen zur Ausnützung des Restdruckgefälles eingesetzt, was eine Verbesserung des Maschinen- Gesamtwirkungsgrades zur Folge hat. Arbeitsprozesse, die vorzugsweise bei höherem Druck arbeiten als dem atmosphärischen Umgebungsdruck und bei denen ein rel. geringer Druckabfall im Prozess entsteht, sind beispielsweise Brennstoffzellenprozesse. Solche Prozesse werden mit handelsüblichen Verdichter- und Expansionsmaschinen betrieben, um den guten Wirkungsgrad der Oxidation von Wasserstoff in der Brennstoffzelle zu erhalten.For work processes that are to be carried out at a pressure higher than the ambient pressure and in which there is only a slight pressure loss in the process, expansion machines are used in addition to the compression machines to exploit the residual pressure drop, which results in an improvement in the overall machine efficiency. Work processes that preferably work at higher pressure than the atmospheric pressure and in which a rel. Low pressure drop in the process arises, for example, fuel cell processes. Such processes are operated with commercially available compression and expansion machines in order to maintain the good efficiency of the oxidation of hydrogen in the fuel cell.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art so zu konfigurieren, dass mit nur einem in einem Gehäuse kreisenden Verdrängerkörper das Arbeitsmedium sowohl verdichtet als auch expandiert werden kann, und bei hohem Verdichtungsdruckverhältnis ein Wärmetransport aus dem inneren heissen Ende der verdichterseitigen Leiste durch die Mittelscheibe hindurch zum kalten inneren Ende der expander-seitigen Leiste erfolgen kann.The invention has for its object to configure a machine of the type mentioned in such a way that the working medium can be both compressed and expanded with only one displacement body circling in a housing, and with high compression pressure ratio heat transport from the inner hot end of the compressor-side strip through the center disc to the cold inner end of the expander-side bar.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1.

Die beidseitig auf der Mittelscheibe des Verdrängerkörpers angebrachten spiralförmigen Leisten sind demnach so ausgestaltet, dass sich auf der einen Seite der Scheibe bei der im Maschinenbetrieb fortschreitenden Verschiebebewegung des Verdrängerkörpers das Volumen des durch diese Leisten und dem dazugehörenden Förderraum eingeschlossenen Arbeitsraumes verkleinert. Auf der anderen Seite der Scheibe vergrössert sich das Volumen des durch diese Leiste und dem dazugehörenden Förderraum eingeschlossenen Arbeitsraumes Dabei sind die beidseitig auf der Mittelscheibe des Verdrängerkörpers angebrachten spiralförmigen Leisten - im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen - asymmetrisch zueinander angebracht.The spiral strips attached to the center disk of the displacer on both sides are accordingly designed in such a way that on one side of the disk the volume of the work space enclosed by these strips and the associated conveying space is reduced as the displacement of the displacer progresses during machine operation. On the other side of the disc, the volume of the working space enclosed by this strip and the associated conveying space increases. The spiral strips, which are attached on both sides to the central disc of the displacer body, are asymmetrically attached to one another in comparison to the solutions known from the prior art.

Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass ein sehr einfacher und demzufolge kostengünstiger Aufbau der Maschine realisiert werden kann, da sowohl die Verdichtung als auch die Expansion mit nur einem beweglichen Verdränger-Element erfolgt.The advantage of the invention can be seen, inter alia, in the fact that a very simple and consequently inexpensive construction of the machine can be realized, since both the compression and the expansion take place with only one movable displacement element.

Der verdichterseitige Förderraum erstreckt sich in der Regel von einem radial aussen angeordneten Niederdruck-Einlass zu einem radial innenliegenden Hochdruck-Auslass. Wenn sich der expanderseitige Förderraum nun gemäß dem Stand der Technik von einem radial innenliegenden Hochdruckraum zu einem radial aussenliegenden Niederdruck-Auslass erstreckt, so wird das Arbeitsmittel auf der verdichterseitigen Seite - in radialer Richtung betrachtet - entgegen der Richtung des Arbeitsmittels auf der expanderseitigen Seite gefördert. Dies hat den Vorteil, dass die durch die Gasdrücke hervorgerufenen Belastungen auf die Mittelscheibe und die spiralförmigen Leisten auf der Verdichter- und Expanderseite etwa symmetrisch sind.The compressor-side delivery chamber generally extends from a low-pressure inlet arranged radially on the outside to a high-pressure outlet located radially on the inside. If, according to the prior art, the expansion-side delivery space now extends from a radially inner high-pressure space to a radially outside low-pressure outlet, the working medium on the compressor-side is - in the radial direction - conveyed against the direction of the working medium on the expanding side. This has the advantage that the loads on the center disk caused by the gas pressures and the spiral strips on the compressor and expander sides are approximately symmetrical.

Wenn sich hingegen gemäß der Erfindung der expanderseitge Förderraum ebenfalls von einem radial aussenliegenden Einlass zu einem radial innenliegenden Niederdruckraum erstreckt, so wird das Arbeitsmittel auf der verdichterseitigen Seite - in radialer Richtung betrachtet - in der gleichen Richtung gefördert wie das Arbeitsmittel auf der expanderseitigen Seite. Dadurch kommen die - in radialer Richtung betrachtet - inneren Enden der spiralförmigen Leisten auf der Expanderseite bezüglich der Mittelscheibe etwa gegenüber den ebenfalls in radialer Richtung betrachtet inneren Enden der verdichterseitigen spiralförmigen Leisten zu liegen. Die Anbindung der inneren Enden der spiralförmigen Leisten an der Mittelscheibe ist im Maschinenbetrieb hoch belastet und entsprechend dem Druckverhältnis auf der Verdichterseite mehr oder minder heiss. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei Einsatz einer solchen Maschine bei hohem Verdichtungsdruckverhältnis ein Wärmetransport aus dem inneren heissen Ende der verdichterseitigen Leiste durch die Mittelscheibe hindurch zum kalten inneren Ende der expander-seitigen Leiste erfolgen kann. Von Bedeutung wird diese Anordnung, wenn ein gut Wärme leitendes Leichtmetall für die Herstellung des Verdrängers zum Einsatz kommt. Durch solche leichte Materialien resultiert eine im Maschinenbetrieb relativ niedrige Fliehkraft des Verdrängerbauteiles.If, on the other hand, according to the invention, the expansion-side delivery space also extends from a radially outer inlet to a radially inner low-pressure space, then the working medium on the compressor side - viewed in the radial direction - is conveyed in the same direction as the working medium on the expanding side. As a result, the inner ends of the spiral strips, viewed in the radial direction, come to lie on the expander side with respect to the center disk approximately opposite the inner ends of the spiral strips, also viewed in the radial direction. The connection of the inner ends of the spiral strips to the center disk is highly stressed during machine operation and is more or less hot depending on the pressure ratio on the compressor side. This arrangement has the advantage that when such a machine is used with a high compression pressure ratio, heat can be transported from the inner hot end of the compressor-side bar through the center disk to the cold inner end of the expander-side bar. This arrangement becomes important if a light metal with good heat conductivity is used for the production of the displacer. By Such light materials result in a relatively low centrifugal force of the displacer component in machine operation.

Wenn die Nabe der Scheibe verdichterseitig vom einem Hochdruckraum umgeben ist, ist es zweckmässig, dass der Nabeninnenraum gegenüber diesem Hochdruckraum mit einem Verschluss luftdicht abgeschlossen ist. Dadurch kann ein - für den Ausgleich der exzentrischen Bewegung der Exzenterscheibe und des Verdrängers vorgesehenes - Gegengewicht auf der Antriebswelle mit Vorteil im expanderseitig die Nabe umgebenden Druckraum angeordnet werden. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist die absolute Trennung des Schmieröles von der verdichteten Luft.If the hub of the disk is surrounded on the compressor side by a high-pressure space, it is expedient for the interior of the hub to be sealed airtight with respect to this high-pressure space. As a result, a counterweight - provided for compensating the eccentric movement of the eccentric disc and the displacer - can advantageously be arranged on the drive shaft in the pressure chamber surrounding the hub on the expander side. The advantage of such an arrangement is the absolute separation of the lubricating oil from the compressed air.

Wenn der Rotor eines den Verdränger antreibenden Elektromotors auf einer gemeinsamen Antriebswelle mit der Exzenterscheibe und dem Verdränger angeordnet ist, ist es sinnvoll, dass auf der dem Verdränger abgewandten Seite des Elektromotors ein Zwischengehäuse am Gehäuse des Elektromotors angebracht ist, in welches Zwischengehäuse die mit einer Schmiermittel-Fördervorrichtung versehene Antriebswelle hineinragt, und dass am Zwischengehäuse ein Gehäuse für einen Schmiermitttelvorrat befestigt ist. Vorteilhaft ist eine solche Anordnung mit Zwischengehäuse für die Aufnahme beispielsweise eines kombinierten Reduktions- und Synchronisations-Getriebes, welches in den Ölvorrat hineinragt und so geschmiert wird.If the rotor of an electric motor driving the displacer is arranged on a common drive shaft with the eccentric disk and the displacer, it makes sense that an intermediate housing is attached to the housing of the electric motor on the side of the electric motor facing away from the displacer, into which intermediate housing the one with a lubricant -Drive device provided drive shaft, and that a housing for a lubricant supply is attached to the intermediate housing. Such an arrangement with an intermediate housing is advantageous for accommodating, for example, a combined reduction and synchronization gear, which projects into the oil reservoir and is thus lubricated.

Wenn in bekannter Weise das Verdrängerbauteil durch eine beabstandete zweite Exzenteranordnung geführt wird, so sind die beiden Exzenterwellen mit gleich grossen Zahnräder versehen. Diese werden durch ein drittes Zahnrad angetrieben und synchronisiert. Das dritte Zahnrad ist vorzugsweise kleiner und sitzt auf der Welle des Antriebsmotors. Dieser baut als schnell drehender Elektromotor klein. Das Gewicht der gesamten Verdichter-Expandereinheit wird dadurch niedriger gegenüber dem Einsatz eines Elektromotors, welcher mit gleicher Drehzahl wie der Verdichter-Expander dreht.If the displacer component is guided in a known manner through a spaced-apart second eccentric arrangement, the two eccentric shafts are provided with gear wheels of the same size. These are driven and synchronized by a third gear. The third gear is preferably smaller and sits on the shaft of the drive motor. This builds small as a fast rotating electric motor. The weight of the entire compressor expander unit is therefore lower compared to the use of an electric motor which rotates at the same speed as the compressor expander.

Es bietet sich an, die Wandung der expanderseitigen Hälfte des Gehäuses im Bereich des Auslasses so auszugestalten, dass sich zusammen mit dem äusseren Ende der Zylinderwand des expanderseitigen Förderraumes ein Behälter für die Aufnahme von Schmiermittel bildet, wobei dieser Behälter über externe Leitungen mit dem Schmiermittelkreislauf verbunden ist. Da die den Expander verlassenden Gase eine niedrige Temperatur haben, kann durch diese Anordnung des Schmierölbehälters am äusseren Ende der Zylinderwand das Schmiermittel während des Maschinenbetriebes gekühlt werden.It is advisable to design the wall of the expander-side half of the housing in the area of the outlet in such a way that, together with the outer end of the cylinder wall of the expander-side delivery space, a container for receiving lubricant is formed, this container being connected to the lubricant circuit via external lines is. Since the gases leaving the expander are at a low temperature, this arrangement of the lubricating oil container at the outer end of the cylinder wall allows the lubricant to be cooled during machine operation.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In den Zeichnungen sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der diversen Arbeitsmittel ist mit Pfeilen dargestellt. Funktionsgleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.In the drawings, only the elements essential for understanding the invention are shown. The direction of flow of the various tools is shown with arrows. Functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the different figures.

Es zeigen:

Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine Verdrängermaschine gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2
einen Teilschnitt aus Fig. 1, vergrössert dargestellt, mit der Abdichtung der Leisten auf dem Grund der sichelförmigen Arbeitsräume;
Fig. 3
einen Querschnitt durch die Verdrängermaschine gemäss 3-3 in Fig. 1 mit dem Expansionsteil der Verdrängermaschine;
Fig. 4
einen Schnitt durch die Scheibe des Läufers der Verdrängermaschine gemäss Linie 4-4 in Fig. 1:
Fig. 5
einen Querschnitt durch den Verdichterteil der Verdrängermaschine gemäss Linien 5-5 und 5'-5' in Fig. 1;
Fig. 6
einen Längsschnitt durch eine Ausführungsvariante der Verdrängermaschine mit Antriebsmotor und Kreislauf für Schmier- und Kühlmittel;
Fig. 7
einen Querschnitt durch die Antriebswelle entlang der Linie 7-7 in Fig. 6;
Fig. 8
einen Querschnitt durch die Verdrängermaschine gemäss Linie 8-8 in Fig. 6 mit dem Expansionsteil der Verdrängermaschine und einer als Schmier- und Kühlmittelvorrat ausgebildeten Gehäusehälfte;
Fig. 9
das Prinzip der Erfindung, wobei die Expansion von radial aussen nach radial innen durchgeführt wird.
Fig. 10
das Prinzip der Ausführung gemäss Fig. 9 mit Doppelexzentertrieb und Synchronisations-Zahnräder.
Show it:
Fig. 1
a longitudinal section through a displacement machine according to the prior art.
Fig. 2
a partial section of Figure 1, shown enlarged, with the sealing of the strips on the bottom of the crescent-shaped work spaces.
Fig. 3
a cross section through the displacement machine according to 3-3 in Figure 1 with the expansion part of the displacement machine.
Fig. 4
a section through the disc of the rotor of the displacement machine according to line 4-4 in Fig. 1:
Fig. 5
a cross section through the compressor part of the displacement machine according to lines 5-5 and 5'-5 'in Fig. 1;
Fig. 6
a longitudinal section through an embodiment of the displacement machine with drive motor and circuit for lubricants and coolants;
Fig. 7
a cross section through the drive shaft along the line 7-7 in Fig. 6;
Fig. 8
a cross section through the displacement machine according to line 8-8 in Figure 6 with the expansion part of the displacement machine and a housing half designed as a lubricant and coolant supply.
Fig. 9
the principle of the invention, wherein the expansion is carried out from radially outside to radially inside.
Fig. 10
the principle of the embodiment according to FIG. 9 with double eccentric drive and synchronization gears.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Zwecks Erläuterung der Funktionsweise der Verdrängermaschine wird auf die bereits eingangs genannte DE-C3-26 03 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben:For an explanation of the functioning of the displacement machine, reference is made to DE-C3-26 03 462 already mentioned at the beginning. Only the machine structure and process flow necessary for understanding are briefly described below:

Mit 1 ist in den Fig. 1 und 6 die Verdichter-/Expandermaschine insgesamt bezeichnet. Die Indizes "a" bei den Bezugszeichen sind für die Verdichterseite; die Indizes "b" werden für die Expanderseite von 1 benutzt.The compressor / expander machine as a whole is designated by 1 in FIGS. 1 and 6. The indices "a" in the reference symbols are for the compressor side; the indices "b" are used for the expander side of 1.

An beiden Seiten der Scheibe 2 ist je ein spiralförmig verlaufender Verdrängerkörper angeordnet. Es handelt sich um Leisten 3a, 3b, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spirale selbst ist im gezeigten Beispiel aus mehreren, aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet. Mit 4 ist eine Nabe bezeichnet, mit welcher die Scheibe 2 auf einem Exzenterlager 17 aufgezogen ist. Die Fig. 1, 4 und 6 zeigen das Lager 17, welches auf einer Exzenterscheibe 23 sitzt, die ihrerseits Teil einer Antriebswelle 24 ist. In Fig. 4 ist mit 5 ist ein radial ausserhalb der Leisten 3a,3b angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers 25, welches auf einem Bolzen 26a aufgezogen ist. Dieser ist seinerseits Teil einer Führungseinrichtung 49, welche z. B. aus einer Schwinge 56 besteht, deren eines Ende drehbar um die Achse 50 mittels Bolzen 26b und Lager 27 im Gehäuse 7a,7b gelagert ist. Das andere Ende greift über den Bolzen 26a und das Lager 25 in das Auge 5 des Läufers ein.A spiral-shaped displacement body is arranged on both sides of the disk 2. These are strips 3a, 3b which are held vertically on the pane 2. In the example shown, the spiral itself is formed from a plurality of circular arcs adjoining one another. 4 with a hub is designated with which the disc 2 is mounted on an eccentric bearing 17. 1, 4 and 6 show the bearing 17, which is seated on an eccentric disk 23, which in turn is part of a drive shaft 24. In FIG. 4, 5 denotes an eye arranged radially outside of the strips 3a, 3b for receiving a guide bearing 25 which is mounted on a bolt 26a. This in turn is part of a guide device 49 which, for. B. consists of a rocker 56, one end of which is rotatable about the axis 50 by means of bolts 26b and bearings 27 in the housing 7a, 7b. The other end engages in the eye 5 of the rotor via the bolt 26a and the bearing 25.

Gemäss Fig. 1, 5 und 6 sind am Spiralenaustritt bei der Verdichterseite in der Gehäusehälfte 7a Durchbrüche 6a vorgesehen, damit das Fördermedium durch den einseitig angeordneten zentralen Auslass 13 abgezogen werden kann.According to FIGS. 1, 5 and 6, openings 6a are provided at the spiral outlet on the compressor side in the housing half 7a so that the medium can be drawn off through the central outlet 13 arranged on one side.

In Fig. 1 ist das aus zwei Hälften zusammengesetzte, über Befestigungsaugen 8a, 8b zur Aufnahme von Verschraubungen 8c miteinander verbundenen Maschinengehäuse 7a, 7b gezeigt. 11a bezeichnet den Förderraum auf der Verdichterseite, der nach der Art eines spiralförmigen Schlitzes in die Gehäusehälfte 7a eingearbeitet ist. Er verläuft parallel von einem äusseren Umfang der Spirale in der Gehäusehälfte 7a angeordneten Niederdruck-Einlass 12 zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen Druckraum 33a und zum Hochdruck-Auslass 13. Der Förderraum 11a weist im wesentlichen eine oder mehrere etwa parallele, ungefähr in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände 51a auf, die im vorliegenden Fall wie die Leiste 3a der Scheibe 2 eine Spirale umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden 51a greift die Leiste 3a ein, deren Krümmung so bemessen ist, dass die Leiste 3a die innere Zylinderwand 15a und die äussere Zylinderwand 14a beispielsweise an jeweils einer Stelle 21 a nahezu berührt (Fig. 5).1 shows the machine housing 7a, 7b, which is composed of two halves and is connected to one another via fastening eyes 8a, 8b for receiving screw connections 8c. 11a denotes the delivery space on the compressor side, which is worked into the housing half 7a in the manner of a spiral slot. It runs parallel from an outer circumference of the spiral in the housing half 7a arranged low pressure inlet 12 to a pressure space 33a provided inside the housing and to the high pressure outlet 13. The delivery chamber 11a has essentially one or more approximately parallel, approximately equally spaced from each other Cylinder walls 51a, which in the present case, like the bar 3a of the disk 2, comprise a spiral. Between these cylinder walls 51a, the bar 3a engages, the curvature of which is dimensioned such that the bar 3a almost touches the inner cylinder wall 15a and the outer cylinder wall 14a, for example, at one point 21a (FIG. 5).

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der seitlichen Abdichtung der Leiste 3a gegenüber den in die Gehäusehälfte 7a eingearbeiteten Grundflächen des spiralförmigen Schlitzes. Diese erfolgt z.B. durch einen berührenden Dichtstreifen 28, welcher in eine dafür vorgesehene Nut in der Leiste 3 eingearbeitet ist.Fig. 2 shows an embodiment of the lateral sealing of the strip 3a with respect to the base surfaces of the spiral slot machined into the housing half 7a. This takes place e.g. by a touching sealing strip 28, which is incorporated into a groove provided in the strip 3.

Der Antrieb der Scheibe 2 besorgt die Antriebswelle 24 über die Exzenterscheibe 23. Die Führung der Scheibe 2 wird durch die Führungseinrichtung 49 (Fig. 4) besorgt. Je nachdem, ob die Führungseinrichtung 49 aus einer Schwinge 56 oder aus einer mit der Antriebswelle 24 synchron laufenden Führungswelle (nicht dargestellt) besteht, führen alle Punkte auf der Leiste 3a eine ellipsenähnliche oder eine kreisförmige Verschiebe-bewegung mit einer der Exzentrizität "e" entsprechenden Auslenkung aus. In der Fig. 4 ist die Nabe 4 nicht erkenntlich, da dieser Teil der Scheibe 2 geschnitten dargestellt ist. Das Lager 17, mit welchen die Scheibe 2 auf der Exzenterscheibe 23 geführt wird, ist hier beispielsweise als Wälzlager dargestellt.The disk 2 is driven by the drive shaft 24 via the eccentric disk 23. The disk 2 is guided by the guide device 49 (FIG. 4). Depending on whether the guide device 49 consists of a rocker 56 or a guide shaft (not shown) running synchronously with the drive shaft 24, all points on the bar 3a carry out an elliptical-like or a circular displacement movement with an eccentricity "e" corresponding Deflection from. 4, the hub 4 cannot be seen, since this part of the disk 2 is shown in section. The bearing 17 with which the disk 2 is guided on the eccentric disk 23 is shown here, for example, as a roller bearing.

Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherung der Leiste 3a an die innere Zylinderwand 15a resp. äussere Zylinderwand 14a der zugeordneten Förderkammer 11a ergeben sich auf beiden Seiten der Leiste 3a sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume, die während des Antriebes der Scheibe 2 durch die Förderkammer 11a in Richtung auf den Druckraum 33a und den damit kommunizierenden zentralen Auslass 13 verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird entsprechend erhöht.Due to the multiple alternating approach of the bar 3a to the inner cylinder wall 15a, respectively. Outer cylinder wall 14a of the associated delivery chamber 11a results in crescent-shaped workrooms enclosing the working medium on both sides of the ledge 3a, which are displaced by the delivery chamber 11a in the direction of the pressure chamber 33a and the central outlet 13 communicating therewith while the disk 2 is being driven. The volumes of these working spaces are reduced and the pressure of the working fluid is increased accordingly.

Analog zu dem voran Beschriebenen ist die Anordnung der Leiste 3b auf der Expanderseite der Maschine. 11b bezeichnet den Förderraum auf der Expanderseite, der ebenfalls nach der Art eines spiralförmigen Schlitzes in die Gehäusehälfte 7b eingearbeitet ist. Gemäss Fig. 3 verläuft er parallel von einem äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Niederdruck-Auslass 20 zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen Einlass, welcher Teil des Druckraumes 33b im Gehäuse 7b ist. Der Förderraum 11b weist ebenfalls im wesentlichen etwa parallele, ungefähr in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände 51b auf, die im vorliegenden Fall wie die Leiste 3b der Scheibe 2 eine Spirale umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden 14b, 15b greift die Leiste 3b ein, deren Krümmung so bemessen ist, dass die Leiste 3b die innere Zylinderwand 15b und die äussere Zylinderwand 14b beim Betrieb beispielsweise an jeweils einer Stelle 21b nahezu berührt.The arrangement of the strip 3b on the expander side of the machine is analogous to that described above. 11b denotes the conveying space on the expander side, which is also machined into the housing half 7b in the manner of a spiral slot. According to FIG. 3, it runs parallel from an outer circumference of the spiral in the housing to the low-pressure outlet 20 to an inlet provided in the housing interior, which part of the pressure chamber 33b in the Housing 7b is. The conveying space 11b likewise has essentially parallel cylinder walls 51b, which are arranged at approximately the same distance from one another and which, in the present case, like the bar 3b of the disk 2, comprise a spiral. Between these cylinder walls 14b, 15b engages the bar 3b, the curvature of which is dimensioned such that the bar 3b almost touches the inner cylinder wall 15b and the outer cylinder wall 14b during operation, for example at one point 21b each.

Die Leiste 3b ist auf der Scheibe 2 so angeordnet, dass beim Maschinenbetrieb infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherung der Leiste 3b an die innere Zylinderwand 15b resp. äussere Zylinderwand 14b der zugeordneten Förderkammer 11b sich auf beiden Seiten der Leiste 3a sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume ergeben. Diese Arbeitsräume verschieben sich während des Antriebes der Scheibe 2 durch die Förderkammer 11b in Richtung auf den zentralen Auslass 20. Dadurch vergrössern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels nimmt im Expanderteil ab. Durch die Expansion des sich in den Arbeitsräumen auf der Expanderseite befindenden Arbeitsmittels wird Arbeit an die Leiste 3b und somit die Exzenterscheibe 23 abgegeben. Damit sind die Verdichtungs- und die Expansions-funktion auf ein einziges, in einem feststehenden Gehäuse 7a, 7b kreisendes Bauteil bestehend aus Scheibe 2, Nabe 4 und Leisten 3a und 3b, zusammengefasst.The bar 3b is arranged on the disc 2 so that during machine operation due to the multiple alternating approach of the bar 3b to the inner cylinder wall 15b, respectively. Outer cylinder wall 14b of the associated delivery chamber 11b results in crescent-shaped workrooms enclosing the working medium on both sides of the strip 3a. These working spaces move while the disk 2 is being driven through the conveying chamber 11b in the direction of the central outlet 20. This increases the volumes of these working spaces and the pressure of the working medium decreases in the expander part. Due to the expansion of the working medium located in the working spaces on the expander side, work is given to the bar 3b and thus the eccentric disk 23. The compression and expansion functions are thus combined on a single component, which rotates in a fixed housing 7a, 7b and consists of disk 2, hub 4 and strips 3a and 3b.

Fig. 5 zeigt die Anordnung der beidseitig der Scheibe 2 angebrachten Leisten 3a und 3b. Entsprechend der dargestellten Orientierung der Schnittrichtung 5-5 durch Fig. 1 ist der Drehsinn der Antriebswelle 24 mit dem Ausgleichsgewicht 16a um das Rotationszentrum 30 im Uhrzeigersinn. Gestrichelt ist gemäss Schnitt 5'-5' in Fig. 1 der äussere Rand der Scheibe 2 und die Leiste 3b des Expanderteiles dargestellt. Der guten Übersichtlichkeit halber ist die spiralförmige Wand 51 b in der Gehäusehälfte 7b nicht dargestellt. Es ist jedoch die Anordnung der Leiste 3a auf der Verdichterseite gegenüber der Leiste 3b auf der Expanderseite erkenntlich.Fig. 5 shows the arrangement of the strips 3a and 3b attached on both sides of the pane 2. According to the orientation of the cutting direction 5-5 shown in FIG. 1, the direction of rotation of the drive shaft 24 with the counterweight 16a around the center of rotation 30 is clockwise. The outer edge of the pane 2 and the bar 3b of the expander part are shown in dashed lines according to section 5'-5 'in FIG. 1. For the sake of clarity, the spiral wall 51b in the housing half 7b is not shown. However, the arrangement of the bar 3a on the compressor side compared to the bar 3b on the expander side can be seen.

In Fig. 1 ist die Antriebswelle mit einem Traglager 9a in einer Lageraufnahme 52a in der Gehäusehälfte 7a gelagert. Die Lageraufnahme 52a ist über Abstützungen 29a mit der Gehäusehälfte verbunden. Das Lager ist mittels einer Wellendichtung 33a gegen den Druckraum 33a abgedichtet. Zwischen den Abstützungen 29a befinden sich die Durchbrüche 6a. Durch diese Durchbrüche kann das auf höheren Druck gebrachte Fördermittel den Verdichterteil verlassen. Das Fördermittel kann einem hier nicht näher beschriebenen Prozess zugeführt werden.In Fig. 1, the drive shaft is supported with a support bearing 9a in a bearing receptacle 52a in the housing half 7a. The bearing holder 52a is connected to the housing half via supports 29a. The bearing is sealed against the pressure chamber 33a by means of a shaft seal 33a. The openings 6a are located between the supports 29a. As a result of these breakthroughs, the conveying medium brought to higher pressure can leave the compressor part. The funding can be supplied to a process that is not described here in detail.

Nach diesem Prozess, bei dem kein besonderer Druckabfall vorausgesetzt wird, soll das Arbeitsmittel über den Hochdruck-Einlass 19 in den inneren expanderseitigen Druckraum 33b des Expanderteiles strömen. In der Gehäusehälfte 7b ist die Antriebswelle mittels eines Traglagers 9b geführt, welches über eine Lageraufnahme 52b mit den Rippen 29b mit der Gehäusehälfte 7b abgestützt ist. Zwischen den Abstützungen befinden sich die Durchbrüche 6b, welche den Zugang des Arbeitsmittels in den expanderseitigen Druckraum 33b schaffen.After this process, in which no particular pressure drop is assumed, the working medium is to flow via the high-pressure inlet 19 into the inner pressure chamber 33b of the expander part on the expander side. The drive shaft is guided in the housing half 7b by means of a support bearing 9b which is supported with the housing half 7b by means of a bearing receptacle 52b with the ribs 29b. The openings 6b are located between the supports and provide access for the working medium to the pressure chamber 33b on the expander side.

Die Führung der Scheibe 2 auf der Exzenterscheibe 23 erfolgt über das Exzenterlager 17, auf welches die Nabe 4 aufgezogen ist und welches gegenüber den Druckräumen 33a und 33b z.B. mit Wellendichtungen 18 abgedichtet ist. Mit 31 ist das Zentrum der Exzenterscheibe 23 bezeichnet. Dieses Zentrum ist mit einer Exzentrizität "e" vom Rotationszentrum 30 beabstandet. Auf der Antriebswelle 24 sind Gegengewichte 16a und 16b angebracht, die einen ausgeglichenen Lauf der Maschine gewährleisten.The disk 2 is guided on the eccentric disk 23 via the eccentric bearing 17, onto which the hub 4 is mounted and which, for example, is opposite the pressure chambers 33a and 33b. is sealed with shaft seals 18. With 31 the center of the eccentric 23 is designated. This center is spaced from the rotation center 30 by an eccentricity "e". Counterweights 16a and 16b are attached to the drive shaft 24, which ensure a balanced running of the machine.

Fig. 6 zeigt eine Variante der Verdichter-/Expandermaschine mit einem Antriebsmotor, vorzugsweise einem Elektromotor. Das Gehäuse 66 des Motors weist Gewindeaugen 8b' auf, in welche Verschraubungen 8c eingreifen. Zusammen mit einem Zwischengehäuse 54 auf der Expanderseite und den Gehäusehälften 7a und 7b wird die Verdichter-/Expandermaschine 1 mit dem Elektromotor zu einer Maschine verbunden.6 shows a variant of the compressor / expander machine with a drive motor, preferably an electric motor. The housing 66 of the motor has threaded eyes 8b 'into which screw connections 8c engage. Together with an intermediate housing 54 on the expander side and the housing halves 7a and 7b, the compressor / expander machine 1 is connected to the electric motor to form a machine.

Die eintrittsseitige Führung des zu expandierenden Arbeitsmittels im Zwischengehäuse 54 muss dem Umstand Rechnung tragen, dass das Arbeitsmittel im Expansionsteil der Verdichter-/Expandermaschine in radialer Richtung betrachtet, von innen nach aussen strömt; es muss in das Zentrum der Expansionseite der Verdrängermaschine hineingeführt werden. Die schematisch dargestellte Lösung zeigt, dass das Arbeitsmittel beim Hochdruckeintritt 55 in das Zwischengehäuse 54 eintritt und durch Durchbrüche 99 in einen ringförmigen Raum 32 gelangt. Dieser Raum 32 ist auf der Seite der Verdichter-/Expandermaschine 1 durch die Welle 24 mit einem Traglager 58 und auf der Seite des Elektromotors durch eine Wellendichtung 62 gegen den im Elektromotorgehäuse-Innenraum 63 herrschenden Umgebungsdruck abgedichtet. Die Wellendichtung 62 greift auf einer an der Antriebswelle angebrachten Verdickung 44 ein. Der Ringraum 32 ist über Durchbrüche 57 in der Welle 24 mit dem Druckraum 33b verbunden, so dass das zu expandierende Arbeitsmittel in den Innenraum 33b des Expanderteiles gelangen kann.The entry-side guidance of the working medium to be expanded in the intermediate housing 54 must take into account the fact that the working medium in the expansion part of the compressor / expander machine, viewed in the radial direction, flows from the inside to the outside; it must be fed into the center of the expansion side of the displacement machine. The schematically illustrated solution shows that the working medium enters the intermediate housing 54 at the high pressure inlet 55 and passes through openings 99 into an annular space 32. This space 32 is sealed on the side of the compressor / expander machine 1 by the shaft 24 with a support bearing 58 and on the side of the electric motor by a shaft seal 62 against the ambient pressure prevailing in the interior of the electric motor housing 63. The shaft seal 62 engages on a thickening 44 attached to the drive shaft. The annular space 32 is connected to the pressure space 33b via openings 57 in the shaft 24, so that the working medium to be expanded can reach the interior 33b of the expander part.

Die Durchführung des Arbeitsmittels durch die Durchbrüche in der Welle 24 ist deshalb zweckmässig, weil die gesamte Antriebswelle mit dem Rotor 64 des Elektromotors nur mit zwei Traglagern 58, 93 geführt ist. Desweiteren soll - im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1 - nur noch ein Gegengewicht 16 auf der Welle 24 angebracht werden und zwar auf der Expanderseite. Um die für einen stabilen Lauf der Maschine notwendige Biegesteifigkeit der Antriebswelle 24 zu gewährleisten, ist diese im Bereiche des Traglagers 58 mit einem relativ grossen Durchmesser bemessen. Die Anbringung von Durchbrüchen 57 (s. auch Fig. 7 und 8) in der steifen Partie zur Einführung des zu expandierenden Arbeitsmittels ist zweckmässig.Carrying out the working fluid through the openings in the shaft 24 is expedient because the entire drive shaft with the rotor 64 of the electric motor is only guided with two support bearings 58, 93. Furthermore, in contrast to the embodiment according to FIG. 1, only a counterweight 16 is to be attached to the shaft 24, specifically on the expander side. In order to ensure the bending stiffness of the drive shaft 24, which is necessary for stable running of the machine, the drive shaft 24 is dimensioned with a relatively large diameter in the region of the support bearing 58. The provision of openings 57 (see also FIGS. 7 and 8) in the rigid part for the introduction of the working medium to be expanded is expedient.

Das Traglager 58 ist in dem in der Fig. 6 gezeigten Beispiel als Wälzlager ausgeführt, an dessen Aussenring ein Positionsring 59 angebracht ist, der in einer z. B. in der Gehäusehälfte 7b eingearbeiten Vertiefung einliegt und durch das Zwischengehäuse 54 eingeklemmt ist. Der Innenring des Wälzlagers 58 steht bei der Antriebswelle 24 auf einer Seite an einem Bund 82 und auf der anderen Seite an einem Ring 83 an. Durch diese Anordnung ist die Antriebswelle 24 axial gegenüber den Gehäuseteilen 7a, 7b, 54 und 66 geführt.The support bearing 58 is designed in the example shown in FIG. 6 as a roller bearing, on the outer ring of which a position ring 59 is attached, which in a z. B. recess in the housing half 7b and is clamped by the intermediate housing 54. The inner ring of the roller bearing 58 is in contact with the drive shaft 24 on one side on a collar 82 and on the other side a ring 83. With this arrangement, the drive shaft 24 is guided axially relative to the housing parts 7a, 7b, 54 and 66.

Auf der der Verdichter-/Expandereinheit 1 gegenüberliegenden Seite des Elektromotors, der im wesentlichen aus dem Gehäuse 66 und dem Rotor 64 besteht, ist ein Schmiermittelbehälter 68 mit dem Schmiermittelvorrat 69 angeordnet. Es ist eine Vorrichtung, die einen Schmiermittelstrom zur Schmierung und Kühlung des hochbelasteten Exzenterlagers 17 erzeugt, notwendig, weil die Verdichter/Expandermaschine in Bezug auf den geförderten Arbeitsmittelstrom klein bauen soll und deshalb bei hoher Drehzahl betrieben wird. Dies hat die erwähnte hohe Belastung des Exzenterlagers 17 zur Folge. Der Schmiermittelkreislauf ist folgender.On the side of the electric motor opposite the compressor / expander unit 1, which essentially consists of the housing 66 and the rotor 64, a lubricant container 68 with the lubricant supply 69 is arranged. A device that generates a lubricant flow for lubricating and cooling the highly loaded eccentric bearing 17 is necessary because the compressor / expander machine is to be small in relation to the flow of working fluid being conveyed and is therefore operated at high speed. This results in the aforementioned high load on the eccentric bearing 17. The lubricant circuit is as follows.

Der Behälter 68 umschliesst ein Gehäuse 71, welches das der Verdichter-/Expandereinheit abgewandte Traglager 93 der Welle 24 aufnimmt. Desweiteren ist im Gehäuse 71 eine hier nicht näher beschriebene Schmiermittel-Fördervorrichtung 72 auf der Antriebswelle 24 aufgezogen und durch diese angetrieben. Diese Schmiermittel-Fördervorrichtung 72 saugt das Schmiermittel über eine Saugleitung 79 aus dem Vorrat 69 an und fördert dieses unter erhöhtem Druck in einen Raum 73.The container 68 encloses a housing 71, which receives the support bearing 93 of the shaft 24 facing away from the compressor / expander unit. Furthermore, a lubricant delivery device 72 (not described in more detail here) is mounted in the housing 71 on the drive shaft 24 and driven by the latter. This lubricant delivery device 72 sucks the lubricant out of the supply 69 via a suction line 79 and conveys it into a space 73 under increased pressure.

In der für den Rotor 64 und der Verdichter-/Expandermaschine 1 gemeinsamen Welle 24 ist in einer zentralen Bohrung 76 ein Einsatz 75 eingebaut, welcher seinerseits eine zentrale Förderbohrung 74 aufweist. Diese ist auf der Seite des Schmiermittelvorrates mit dem Raum 73 verbunden. Auf der Seite der Verdichter/Expandereinheit 1 ist die Förderbohrung 74' mit einer in der Exzenterscheibe 23 radial angeordneten Bohrung 88 verbunden. Die Bohrung 88 mündet an deren radial äusseren Ende direkt in das Exzenterlager 17 und versorgt dieses mit Schmiermittel. In der Fig. 6 ist dieses Lager als Gleitlager dargestellt; in der Nabe 4 ist eine Gleitfagerbüchse 17' eingezogen.In the shaft 24 common to the rotor 64 and the compressor / expander 1, an insert 75 is installed in a central bore 76, which in turn has a central delivery bore 74. This is connected to the space 73 on the lubricant supply side. On the side of the compressor / expander unit 1, the delivery bore 74 'is connected to a bore 88 arranged radially in the eccentric disk 23. The bore 88 opens at its radially outer end directly into the eccentric bearing 17 and supplies it with lubricant. In Fig. 6 this bearing is shown as a plain bearing; In the hub 4, a plain bearing bush 17 'is drawn in.

Die Nabe 4 ist mit einem Verschluss 60 gegenüber dem Raum 33a resp. dem Auslass 13 verschlossen. Durch diesen Verschluss erreicht man die vollständige Trennung des Schmiermittels vom Arbeitsmittel. Das Arbeitsmittel kann somit völlig schmiermittelfrei gefördert werden. Dies im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1, bei welcher die Anordnung der Wellendichtungen 10a und 18 verdichterseitig zu einem Austreten von Schmiermittel in den Raum 33a führen kann; Wellendichtungen können nicht vollständig abdichten.The hub 4 is with a closure 60 relative to the space 33a, respectively. the outlet 13 closed. This closure ensures that the lubricant is completely separated from the working fluid. The work equipment can thus be pumped completely without lubricants. This is in contrast to the embodiment according to FIG. 1, in which the arrangement of the shaft seals 10a and 18 on the compressor side can lead to lubricant escaping into the space 33a; Shaft seals cannot seal completely.

In den durch den Verschluss 60 entstehenden Raum 80 kann das Schmiermittel aus dem Exzenterlager 17 austreten. Der Schmiermittelaustritt aus der gegenüberliegenden Seite des Lagers 17 erfolgt in einen ringförmigen Raum 53c, welcher mittels eines Wellendichtringes 18 gegenüber dem expanderseitigen Druckraum 33b abdichtet. Die Schmiermittelsammelräume 53c und 80 sind über je eine Bohrung 81 mit dem Schmiermittel-Rückflusskanal 77 in der Welle 24 verbunden. Dieser Kanal entsteht durch einen Einsatz 75, welcher in seiner mittleren Partie am äusseren Umfang verjüngt ist. In der Fig. 7 ist der Einsatz 75 in der verjüngten Partie geschnitten dargestellt (Schnitt 7-7 in Fig. 6) und zeigt nebst dem Rotationszentrum 30 der Welle 24 die Förderbohrung 74, den ringförmigen Schmiermittel-Rückflusskanal 77, sowie die zentrale Bohrung 76 für den Einsatz 75. An der Seite des Schmiermittelvorrates 69 ist eine radiale Bohrung 77c in die Welle 24 eingearbeitet. Durch diese Bohrung kann das Schmiermittel in einen ringförmigen Sammelraum 45 gelangen. Der Sammelraum 45 ist in das Gehäuse 66 eingearbeitet und wird zusammen mit einem Wellendichtring 78 und dem Förderpumpengehäuse der Schmiermittel-Fördervorrichtung 72 sowie der Welle 24 gebildet. Im Gehäuse 66 ist eine Bohrung 90 angebracht, durch welche das rückströmende Schmiermittel in den Vorrat 69 zurückströmen kann.The lubricant can escape from the eccentric bearing 17 into the space 80 created by the closure 60. The lubricant escapes from the opposite side of the bearing 17 into an annular space 53c, which seals against the expander-side pressure space 33b by means of a shaft sealing ring 18. The lubricant collecting spaces 53c and 80 are each connected to the lubricant return channel 77 in the shaft 24 via a bore 81. This channel is created by an insert 75 which is tapered in its middle part on the outer circumference. In FIG. 7, the insert 75 is shown in section in the tapered section (section 7-7 in FIG. 6) and, in addition to the center of rotation 30 of the shaft 24, shows the delivery bore 74, the annular lubricant return flow channel 77, and the central bore 76 for the insert 75. On the side of the lubricant supply 69, a radial bore 77c is machined into the shaft 24. The lubricant can pass into an annular collecting space 45 through this bore. The collecting space 45 is machined into the housing 66 and is formed together with a shaft sealing ring 78 and the feed pump housing of the lubricant delivery device 72 and the shaft 24. A bore 90 is made in the housing 66, through which the back-flowing lubricant can flow back into the reservoir 69.

Durch die Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels (z.B. Luft) entsteht eine Temperaturerhöhung im Raum 33a gegenüber der Temperatur, die im Niederdruck-Einlass 12 herrscht. Die höhere Temperatur im Raum 33a wirkt auf die in diesem Raum kreisende Nabenpartie 4 mit Verschluss 60 ein. Dem Schmiermittel kommt nebst der primären Aufgabe der Schmierung des Lagers 17 auch die Aufgabe der Wärmeabfuhr aus der Nabenpartie 4 mit Verschluss 60 zu. Das, wie oben beschrieben, in den Vorrat 69 zurückströmende Schmiermittel muss dort seine aufgenommene Wärme z. B. an die Umgebung abgeben können.The compression of the gaseous working medium (for example air) results in an increase in temperature in the space 33a compared to the temperature prevailing in the low-pressure inlet 12. The higher temperature in the room 33a acts on the hub part 4 with closure 60 circling in this room. In addition to the primary task of lubricating the bearing 17, the lubricant also has the task the heat dissipation from the hub portion 4 with closure 60. The lubricant flowing back into the reservoir 69, as described above, must absorb its heat there, e.g. B. can deliver to the environment.

Eine Ausführungsform zur Wärmeabfuhr ist ebenfalls in der Fig. 6 dargestellt.
Dem Stande der Technik entsprechend weisen Elektromotoren oft ein Lüfterrad 67 auf, welches beim vorliegenden Beispiel auf der Welle 24 aufgezogen ist. Durch Durchbrüche 65 im Gehäuse 66 gelangt der Kühlluftstrom 85 ins Innere des Elektromotors und erfährt je nach der Stärke des durch das Gebläserad 67 erzeugten Kühlluftstromes 85 eine mehr oder minder starke Temperaturerhöhung. Vorausgesetzt, dass das Lüfterrad kräftig genug bemessen ist, ergibt sich eine vorteilhafte Ausführung für die Kühlung des Schmiermittels im Vorratsbehälter 68. Durch Umlenken des Kühlluftstromes mittels Luftführungsmittel 84 wird dieser an den Kühlflächen 70, welche am Behälter 68 angebracht sind, vorbeigeführt und nimmt weitere Wärme aus dem Behälter 68 auf.
An embodiment for heat dissipation is also shown in FIG. 6.
According to the state of the art, electric motors often have a fan wheel 67 which is mounted on the shaft 24 in the present example. Through openings 65 in the housing 66, the cooling air flow 85 reaches the interior of the electric motor and, depending on the strength of the cooling air flow 85 generated by the impeller 67, experiences a more or less strong temperature increase. Provided that the fan wheel is dimensioned strong enough, there is an advantageous embodiment for the cooling of the lubricant in the reservoir 68. By deflecting the cooling air flow by means of air guiding means 84, it is guided past the cooling surfaces 70, which are attached to the container 68, and takes on further heat from the container 68.

Eine Variante zur Abführung der Wärme aus dem Schmiermittel ist in Fig. 8 dargestellt. Die Zeichnung zeigt schematisch einen Wandungsteil 94 des Gehäuses 7b, welcher so ausgebildet ist, dass ein Behälter 95 entsteht. Dieser Behälter befindet sich im Bereich des - in Strömungsrichtung betrachtet - äusseren Endes 98 der Zylinderwand 51 b. Die Zu- und Abführung des Schmiermittels zum und vom Behälter 95 erfolgt über externe, nicht näher beschriebene Leitungen 96, 97, weiche mit einer Schmiermittel-Fördervorrichtung 72, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, verbunden sein kann. Die Anordnung nützt die Tatsache aus, dass bei der Expansion des gasförmigen Arbeitsmittels die Temperatur abnimmt.A variant for removing the heat from the lubricant is shown in FIG. 8. The drawing schematically shows a wall part 94 of the housing 7b, which is designed such that a container 95 is formed. This container is located in the region of the outer end 98 of the cylinder wall 51 b, viewed in the direction of flow. The supply and discharge of the lubricant to and from the container 95 takes place via external lines 96, 97 (not described in more detail), which can be connected to a lubricant delivery device 72, as shown in FIG. 6. The arrangement takes advantage of the fact that the temperature decreases as the gaseous working medium expands.

Beim Einsatz der Verdichter-/Expandermaschine 1 zum Beispiel an Brennstoffzellen ist die Temperatur am Eintritt des Arbeitsmittels in den Raum 33b relativ niedrig, vorausgesetzt, es werden keine besonderen Vorrichtungen eingesetzt, welche die Temperatur des Arbeitsmittels im Hochdruck-Einlass 19, resp. 55, 33b der Expansionsmaschine erhöhen. Solche Vorrichtungen können z.B. aus einem Wärmetauscher bestehen, welche die Wärme der verdichteten Luft nach dem Auslass 13 an das zu expandierende Arbeitsmittel vor dem Einlass 19, resp. 55, 33b abgeben und dieses zur Erhöhung der Expansions-Arbeitsfähigkeit erwärmen.When using the compressor / expander 1, for example on fuel cells, the temperature at the entry of the working fluid into the space 33b is relatively low, provided that no special devices are used which measure the temperature of the working fluid in the high-pressure inlet 19 or. 55, 33b of the expansion machine. Such devices can consist, for example, of a heat exchanger which transfers the heat of the compressed air to the Outlet 13 to the work equipment to be expanded before the inlet 19, respectively. Release 55, 33b and heat this to increase the ability to expand.

Da beim Brennstoffzelleneinsatz ein wesentliches Oxidationsprodukt Wasser ist, womit das Arbeitsmittel vor dem Expansionsprozess angereichert wird, darf man davon ausgehen, dass der Taupunkt gegen den Niederdruck-Auslass 20 hin deutlich unterschritten und je nach Anfangstemperatur der Expansion auch der Gefrierpunkt unterschritten wird. Wenn keine besonderen Massnahmen vorgenommen werden, kann im Maschinenbetrieb Eis im Bereiche der Zylinderwände 98 entstehen.Since water is an essential oxidation product in the use of fuel cells, which enriches the working fluid before the expansion process, it can be assumed that the dew point towards the low-pressure outlet 20 is significantly lower and, depending on the initial temperature of the expansion, the freezing point is also fallen below. If no special measures are taken, ice can form in the area of the cylinder walls 98 during machine operation.

Dies wird dadurch vermieden, dass die Partie um den Auslass 20, 98 benutzt wird, um den Schmiermittelvorrat 95 dort anzubringen. Dieser wird durch diese Massnahme einerseits gekühlt und verhindert andererseits die Eisbildung bei 20, 98.This is avoided by using the lot around the outlet 20, 98 to attach the lubricant supply 95 there. This measure is cooled on the one hand by this measure and on the other hand prevents ice formation at 20, 98.

In Fig. 9 ist das Erfindungsbeispiel gezeigt, bei welchem die Expansion des Arbeitsmittels von radial aussen nach radial innen erfolgt. Im Gegensatz zu der in den Fig. 1, 3 und 6 gezeigten Expansion strömt das Hochdruckgas durch eine Öffnung 55 in den Hochdruckraum 33b. Das expandierte Gas strömt durch Durchbrüche 57 in der Welle 24 aus dem Niederdruck-Innenraum des Expanderteiles ab.9 shows the example of the invention in which the expansion of the working medium takes place from the radially outside to the radially inside. In contrast to the expansion shown in FIGS. 1, 3 and 6, the high pressure gas flows through an opening 55 into the high pressure space 33b. The expanded gas flows through openings 57 in the shaft 24 from the low-pressure interior of the expander part.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die bisher gezeigte und beschriebene Maschine beschränkt. Für den Fall, dass zwei beabstandete Exzenteranordnungen zur Führung des Verdrängers eingesetzt werden, kann der Elektromotor statt auf der Antriebswelle 24 auch zwischen zwei Wellen mit beabstandeten Rotationsachsen 30 und 104 eingreifen. In der Fig. 10 ist eine solche Anordnung dargestellt. Es zeigt der Übersicht halber nur den Verdränger bestehend aus der Scheibe 23 und den Leisten 3b mit dem Rädertrieb. Dieser besteht aus einem Antriebsrad 100, einem Rad auf dem Antriebsmotor 101, und einem Synchronisationsrad 102. Mit 103 ist eine Verzahnung auf dem Rad dargestellt. Die identische Verzahnung ist auch für die Räder 101 und 102 vorgesehen aber hier nicht dargestellt. Die Achse des Antriebsmotors ist mit 108 bezeichnet, jene der Führungsexzenteranordnung mit 104. Die Mittelscheibe 23 weist z. B. eine an sich bekannte radial elastische und tangential steife Anbindung 105 an das Auge 106 auf. Das Auge 106 hat seinen Mittelpunkt bei 107, welcher mit der Exzentrizität "e" um das Rotationszentrum 104 im Maschinenbetrieb kreist.Of course, the invention is not limited to the machine previously shown and described. In the event that two spaced-apart eccentric arrangements are used to guide the displacer, the electric motor can also engage between two shafts with spaced axes of rotation 30 and 104 instead of on the drive shaft 24. Such an arrangement is shown in FIG. 10. For the sake of clarity, it only shows the displacer consisting of the disk 23 and the strips 3b with the wheel drive. This consists of a drive wheel 100, a wheel on the drive motor 101, and a synchronization wheel 102. 103 shows a toothing on the wheel. The identical toothing is also provided for the wheels 101 and 102 but is not shown here. The axis of the drive motor is designated by 108, that of the guide eccentric arrangement by 104. B. a known radially elastic and tangentially rigid connection 105 to the eye 106. The eye 106 has its center at 107, which circles with the eccentricity "e" around the center of rotation 104 in machine operation.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verdichter/ ExpanderCompressor / expander
22
Scheibe,Disc,
3a,3b3a, 3b
Leisten, VerdrängerkörperLast, displacer
44
Nabehub
55
Augeeye
6a6a
Durchbruch in 7aBreakthrough in 7a
6b6b
Durchbruch in 7bBreakthrough in 7b
7a,7b7a, 7b
Gehäusehälftehousing half
8a,8b,8b'8a, 8b, 8b '
Befestigungsaugefastening eye
8c8c
Befestigungsschraubefixing screw
9a9a
Traglager für 24 in 7aSupport bearing for 24 in 7a
9b9b
Traglager für 24 in 7bSupport bearing for 24 in 7b
10a, 10b10a, 10b
Wellendichtungen von 24Shaft seals from 24
11a11a
Förderraum in 7aFunding area in 7a
11b11b
Förderraum in 7bFunding area in 7b
1212
Niederdruck-EinlassLow pressure inlet
1313
Hochdruck-AuslassHigh-pressure outlet
14a14a
Zylinderwand von 11a, äussereCylinder wall of 11a, outer
14b14b
Zylinderwand von 11b, äussereCylinder wall from 11b, outer
15a15a
Zylinderwand von 11a, innere11a cylinder wall, inner
15b15b
Zylinderwand von 11b, innere11b cylinder wall, inner
16,16a,16b16,16a, 16b
Ausgleichsgewichte auf 24Balance weights on 24
17,17'17.17 '
Exzenterlager zwischen 4 und 23Eccentric bearings between 4 and 23
1818
Wellendichtungen von 23Shaft seals from 23
1919
Hochdruck-EinlassHigh pressure inlet
2020
Niederdruck-AuslassLow-pressure outlet
21a,21b21a, 21b
Dichtlinie in 7a,7b von 11a, 11bSealing line in 7a, 7b of 11a, 11b
2222
Ripperib
2323
Exzenterscheibeeccentric
2424
Antriebswelledrive shaft
2525
Führungslager in 56 auf 26aLead bearing in 56 on 26a
26a26a
Führungsbolzen in 2Guide pin in 2nd
26b26b
Führungsbolzen zwischen 7a,7bGuide pin between 7a, 7b
2727
Führungslager in 56 auf 26bGuide bearing in 56 on 26b
2828
Dichtstreifensealing strips
29a,29b29a, 29b
Ripperib
3030
Rotationszentrum von 24Center of rotation of 24
3131
Zentrum von 23Center of 23
33a33a
Druckraum in 7a (Verdichterseite)Pressure chamber in 7a (compressor side)
33b33b
Druckraum in 7b (Expanderteil)Pressure chamber in 7b (expander part)
3232
Ringförmiger Raum zwischen 58 und 62Annular space between 58 and 62
4444
Bund für 62 auf 24Waistband for 62 on 24
4545
Ringförmiger SammelraumAnnular collecting room
4949
Führungseinrichtungguide means
5050
Zentrumsachse von 26bCenter axis of 26b
51a,51b,51b'51a, 51b, 51b '
Leisten in 7a,7bLast in 7a, 7b
52a,52b52a, 52b
Lageraufnahme in 7a,7bInventory in 7a, 7b
53a53a
Lagerinnenraum von 9aWarehouse interior of 9a
53b53b
Lagerinnenraum von 9bWarehouse interior of 9b
53c53c
Lagerinnenraum von 17Warehouse interior from 17th
5454
Zwischengehäuseintermediate housing
5555
Hochdruck-EintrittHigh pressure inlet
5656
Schwingewing
5757
Durchbruch in 24Breakthrough in 24
5858
Lagerungstorage
5959
Klemmring zwischen 54 und 7bClamping ring between 54 and 7b
6060
Verschluss-Scheibe auf 4Locking disc on 4th
6161
Hochdruck-ZwischenraumHigh-pressure space
6262
Wellendichtung zwischen 61 und 63Shaft seal between 61 and 63
6363
Elektro-Motor-InnenraumElectric motor interior
6464
Rotor des Elektro-MotorsElectric motor rotor
6565
Durchbrüche in 66Breakthroughs in 66
6666
Gehäuse des E-MotorsHousing of the electric motor
6767
Lüfterrad auf 24Fan wheel on 24
6868
Gehäuse von 69Housing of 69
6969
Schmiermittelvorrat, SchmiermittelLubricant stock, lubricants
7070
Kühlflächecooling surface
7171
Lagergehäusebearing housing
7272
Förderpumpe für 69Feed pump for 69
7373
Druckraum von 69Print room from 69
74,74'74.74 '
Druckleitung für 69 in 24Pressure line for 69 in 24
75,75'75.75 '
Einsatz in 24Use in 24
7676
Bohrung in 24Hole in 24
77,77c77,77c
Schmiermittel-Rückflusskanal in 24Lubricant return channel in 24
7878
Wellendichtung 24, hintereShaft seal 24, rear
7979
Saugleitung für 69Suction line for 69
8080
Niederdruckraum zwischen 60 & 23Low pressure room between 60 & 23
8181
Niederdruckleitungen in 23 zu 77Low pressure lines in 23 to 77
8282
Schulter auf 24 für 58Shoulder on 24 for 58
8383
Positionier-Ring auf 24 für 58Position ring on 24 for 58
8484
Führungsmittel für 85Guide for 85
8585
KühlluftstromCooling air flow
8686
Verschraubung für 68Screw connection for 68
8787
Einfüllstutzen für 69 mit DeckelFiller neck for 69 with lid
8888
Verbindung zwischen 74 & 17 in 23Connection between 74 & 17 in 23
8989
Verschraubung von 71 mit 66Screw connection from 71 to 66
9090
Niederdruckabfluss in 66 zu 69Low pressure drain in 66 to 69
9393
Lagerung von 24 in 71Storage of 24 in 71
9494
Aussenwand von 95Outside wall of 95
9595
Schmiermittelraumlubricant space
9696
SchmiermittelrückflussLubricant return
9797
Schmiermittelvorlauflubricant flow
9898
Endpartie von 51bFinal batch of 51b
9999
Durchbruch in 54Breakthrough in 54
ee
Exzentrizität; Abstand in radialer Richtung zwischen der Rotationsachse 30 von 24 und dem Zentrum 31 von 23.Eccentricity; Distance in the radial direction between the axis of rotation 30 of FIG. 24 and the center 31 of FIG. 23.
100100
Antriebsrad auf Antriebswelle 24Drive wheel on drive shaft 24
101101
Antriebsrad auf AntriebsmotorDrive wheel on drive motor
102102
Synchronisationsrad auf zweiter ExzenteranordnungSynchronization wheel on a second eccentric arrangement
103103
Verzahnunggearing
104104
Rotationszentrum der zweiten ExzenteranordnungCenter of rotation of the second eccentric arrangement
105105
Radial elastische, tangential steife Anbindung an 23Radially elastic, tangentially rigid connection to 23
106106
Auge an 105Eye at 105
107107
Zentrum des zweiten ExzentersCenter of the second eccentric
108108
Rotationszentrum des seitlich angebauten AntriebsmotorsRotation center of the side-mounted drive motor
109109
Inneres Ende von 3b in Fig. 10Inner end of 3b in Fig. 10

Claims (9)

  1. Displacement machine for compressible media with two spiral feed chambers (11a, 11b) which are arranged opposite each other in a fixed housing (7a, 7b), and a displacement body (2-4), consisting essentially of a central disc (2) and of spiral strips (3a, 3b) which are attached to each side of the central disc (2), engage in the feed chambers (11a, 11b) and which are held in an eccentric manner in relation to the housing (7a, 7b), so that during operation each point on the strips (3a, 3b) executes a circular or elliptical movement, depending on the configuration of a guiding device (49), said movement being limited by the cylinder walls of the feed chambers (11a, 11b), and so that the curvature of the strips (3a, 3b) is dimensioned such that the strips (3a, 3b) almost touches the inner cylinder walls (15) and the outer cylinder walls (14) of the corresponding feed chambers (11a, 11b) on in each case at least one sealing line per strip (3a, 3b), said sealing line advancing continuously during operation; wherein one feed chamber (11a) is configured for compressing a working substance and the other opposed feed chamber (11b) for expanding said working substance, the cylinder walls (14, 15) of the feed chambers (11a, 11b) and the strips (3a, 3b) engaging in the feed chambers (11a, 11b) consisting essentially of successive circular arc segments whose radii in the compression-side feed chambers (11a) and strips (3a) are essentially decreasing in size, when viewed in a direction of rotation, and the radii of the circular arc segments in the expansion-side feed chambers (11b) and strips (3b) are essentially increasing in size, when viewed in the same direction of rotation; wherein the compression-side feed chamber (11a) extends from a radially outwardly arranged low-pressure inlet (12) to a radially inwardly arranged high-pressure outlet (13), and wherein, in order to guide the displacement body (2-4) in relation to the housing (7a, 7b), an eccentric arrangement is provided which essentially consists of a drive shaft (24) and of an eccentric disc (23) arranged thereon, characterized in that the expansion-side feed chamber (11b) extends from a radially outwardly arranged high-pressure inlet (55) to a radially inwardly arranged low-pressure chamber.
  2. Displacement machine according to Claim 1, characterized in that the hub (4) of the disc (2) is surrounded on its outside of the compression side by a high-pressure chamber (33a), in that the hub interior is closed off in an airtight manner from this high-pressure chamber (33a) by means of a closure piece (60), and in that a counterweight (16) - provided to compensate the eccentric movement of the eccentric disc (23) and of the displacement body (2-4) - is arranged on the drive shaft (24) in the expansion-side pressure chamber (33b) surrounding the hub (4).
  3. Displacement machine according to Claim 1 or 2, characterized in that the expansion-side half (7b) of the housing is connected directly to a housing (66) of an electric motor via a screw fitting (8a, 8b, 8b', 8c).
  4. Displacement machine according to Claim 3, characterized in that the rotor (64) of the electric motor is arranged on a common drive shaft (24) with the eccentric disc (23) and the displacement body (2-4).
  5. Displacement machine according to Claim 4, characterized in that, on the side of the electric motor facing away from the displacement body (2-4), an intermediate housing (71) is attached to the housing (66) of the electric motor, into which intermediate housing protrudes the drive shaft provided with a lubricant feed device (72), and in that a housing (68) for a lubricant reservoir (69) is secured on the intermediate housing (71).
  6. Displacement machine according to Claim 5, characterized in that the drive shaft (24) has a bore (76) for receiving an insert (75) which is likewise of hollow configuration and which in the central area is recessed on the outer surface, resulting in two axial lubricant guide channels (74, 77) about the centre of rotation (30) of the drive shaft (24), of which a high-pressure channel (74) is connected on the one hand to the lubricant feed device (72) via a pressure chamber (73) and is connected on the other hand to an eccentric bearing (17) via a chamber (74') and a bore (75') in the eccentric disc (23).
  7. Displacement machine according to Claim 6, characterized in that, for return of the lubricant from the eccentric bearing (17) into the lubricant reservoir (69), a low-pressure chamber (80) and a bearing interior (53c) respectively are provided on either side of the bearing and these are in each case connected via a bore (81) in the eccentric disc (23) to the lubricant return channel (77) arranged in the drive shaft (24).
  8. Displacement machine according to Claim 5, characterized in that a blower wheel (67) for feeding a cooling air stream (85) is arranged on the drive shaft (24) inside the housing (66) of the electric motor, this cooling air stream being directed via apertures (65) in the housing (66) through the interior (63) of the electric motor and via air guide means (84) onto cooling surfaces (70) which are arranged on the housing (68) of the lubricant reservoir (69).
  9. Displacement machine according to Claim 1, in which the displacement body (2-4) is guided by a separate second eccentric arrangement, characterized in that the two eccentric shafts bear gearwheels (100, 102) of identical size which are driven and synchronized by a third gearwheel (101), said third gearwheel preferably being smaller and being arranged on the shaft of a drive motor, and the drive motor being designed as a rapidly rotating electric motor.
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