EP2195511B1

EP2195511B1 - Verdrängermaschine nach dem spiralprinzip

Info

Publication number: EP2195511B1
Application number: EP08757301A
Authority: EP
Inventors: Fritz Spinnler
Original assignee: Spinnler Engineering
Current assignee: Spinnler Engineering
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: WO2009023974A1; ATE533920T1; EP2195511A1; CN101784754A; CN101784754B; US8425211B2; US20110027116A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter mit Doppelspirale für kompressible Medien gemäß einleitendem Teil des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Spiralverdichter mit Doppelspirale sind beispielsweise durch die DE 2603462 A1 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betriebes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdrängerkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Läufer und den beiden Umfangswänden mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird.
Eine Maschine der eingangs genannten Art, bei der die Spiralen einen gesamten Umschlingungswinkel von etwa 360° umspannen, ist bekannt aus der DE 3407939 C1 . Bei einer solchen Maschine wird der Läufer, dort Rotationskolben genannt, zur seiner Führung gegenüber dem Gehäuse an seinem eintrittsseitigen Ende durch eine Schwinge gehalten, deren Länge grösser ist als die Länge der Antriebskurbel. Die die spiralförmigen Leisten tragende Scheibe schliesst mit der äusseren Kontur der nicht überlappten Leisten ab und die Kontur der Scheibe im überlappten Bereich ist in der Form der Bewegungsbahn ausgebildet, die eine Gehäusekante vorgibt, welche durch die notwendige Absenkung der äusseren Zylinderwand der Förderraum an einer Gehäusehälfte zur Aufnahme der Scheibe beim Einschwingen des Läufers in diesem Bereich entstanden ist. Zwischen der Gehäusekante und der Scheibe verbleibt ein von der Stellung des Rotationskolbens abhängig variierender Restspalt, der die Förderräume am Eintritt und am Austritt der Spirale kurzschliesst. Bei einer Förderung des kompressiblen Mediums von aussen nach innen bedeutet dies, dass durch diesen Restspalt ein Rückfluss erfolgt. Dieser Restspalt soll während eines halben Kurbelumlaufs gleich bleiben, weshalb die Kontur der Scheibe eine angenäherte S-form aufweist. Mit dieser Rotationskolbenmaschine sollen die Zahl und die Länge der Druckverlust bewirkenden Spalte zwischen der jeweiligen Druck- und Saugkammer vermieden werden, was eine Verminderung der Verlustleistung zur Folge hat. Dadurch, dass die die spiralförmigen Leisten tragende Scheibe mit der äusseren Kontur der nicht überlappten Leisten abschliesst, zeichnet sich die Maschine durch ein geringes Bauvolumen und ein geringes Gewicht aus.
Eine solche, mehr als 20 Jahre alte Maschine, welche vom Prinzip her eine richtige Dichtung aufweist, wird den heutigen Anforderungen nicht mehr gerecht, da zum einen ein Restspalt mit permanenter Verbindung zwischen Druck- und Saugkammer grundsätzlich nicht mehr zulässig ist und zum andern ein Restspalt, so klein er auch sein möge, welcher lediglich über einen halben Kurbelumlauf lang gleich bleibt, nicht ausreicht, um die erforderliche Dichtheit zu gewährleisten.
Die gleichen Überlegungen gelten für die Dichtanordnungen von Spiralladern, wie sie aus den EP-A-0 284 774 (als nächstliegender Stand der Tecknik anzusehen und EP-A-0 560 009 bekannt sind. Den dortigen Erfindungen liegt der Gedanke zugrunde, dass anlässlich der Kreisbewegung nur solche Förderräume kommunizieren, in denen der gleiche Druck herrscht. Bei unterschiedlichen Drücken in den nebeneinanderliegenden Räumen ist die jeweilige Abdichtung wirksam. Dieses Prinzip ist indes nur möglich bei verschachtelter Anordnung von mindestens zwei Spiralen, d.h. wenn auf einer Scheibenseite mindestens zwei, in diesem Fall um 180° zueinander versetzte, spiralförmig verlaufende Verdrängerkörper angeordnet sind. Wendet man das Prinzip an bei Scheiben, die nur eine Spirale pro Seite aufweisen, so ergibt sich genau die gleiche Problematik wie bei der obenerwähnten DE 3407939 C1 . Es verbleibt nämlich zwischen der Gehäusekante und der Scheibe ein von der Stellung der Scheibe abhängig variierender Restspalt, der die Förderräume am Eintritt und am Austritt der Spirale während eines grossen Teils des Kurbelumlaufs kurzschliesst, wodurch ein unzulässiger Rückfluss erfolgt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen in welcher insbesondere auch im niedrigen Drehzahlbereich einander benachbarte Förderräume, in denen unterschiedliche Drücke herrschen, vollständig gegeneinander abgedichtet sind.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass sie sowohl bei einem Spiralverdichter mit Doppelspirale mit Schwinge als Führungselement für den Verdränger als auch mit Führungswelle zur Führung des Verdrängers, wie sie beispielsweise aus der DE 3107231 A1 bekannt ist, zur Anwendung kommen kann. Ferner ermöglicht die Erfindung eine - in radialer Richtung betrachtet - nach aussen freie Anordnung der Schwinge, wenn eine solche als Führungs-element vorausgesetzt wird. Besonders wirksam ist die Erfindung bei Anwendung in Maschinen mit innerer Verdichtung, wie sie in der eingangs erwähnten DE 2603462 A1 beschrieben sind und in der ebenfalls obenerwähnten DE 3107231 A1 zeichnerisch dargestellt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigt:

Fig. 1: einen Läufer,
Fig. 2: eine Ansicht eines Gehäuseteils mit erfindungsgemässer Gestaltung der Gehäusekante,
Fig. 3: einen Längsschnitt durch die Maschine,
Fig. 4: eine Draufsicht auf das Gehäuseteil nach Fig. 2 mit eingelegtem Läufer nach Fig. 1,
Fig. 5-6: Draufsichten wie in Fig. 4, jedoch mit unterschiedlichen Winkelstellungen des Exzentertriebes.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits eingangs genannte DE 2603462 A1 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben:
Mit 1 ist in der Zeichnung der Läufer der Maschine insgesamt bezeichnet. Er besteht aus einer Scheibe 2 und aus beidseitig axial von der Scheibe 2 senkrecht abstehenden Spiralleisten 3. Gemäss Fig. 1 ist die Spirale, d.h. die Leiste 3 aus mehreren aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet und weist einen Umschlingungswinkel von ca. 360° auf. Dabei ist das austrittsseitige Ende der Spirale mit einer geringfügigen sogenannten inneren Verdichtung ausgestattet, wie sie aus der eingangs genannten DE 2603462 A1 bekannt ist. Dies ist insofern erwähnenswert, als der durch die innere Verdichtung bewirkte höhere Druck im Arbeitsraum eine einwandfreie Dichtung zur Bedingung hat. Am Spiralenaustritt sind in der Scheibe 2 mehrere Durchbrüche 6 vorgesehen, damit das Medium von einer Scheibenseite zur anderen gelangen kann, beispielsweise um in einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslass 13 (Fig. 2) abgezogen zu werden. Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, mit welcher die Scheibe 2 über einem Wälzlager 22 auf einer Exzenterscheibe 23 aufgezogen ist. Diese ist ihrerseits Teil einer Antriebswelle 24. "e" bedeutet die Exzentrizität zwischen der Achse 9 der Antriebswelle 24 und der Achse 10 der Exzenterscheibe 23.
Erkennbar ist aus der Darstellung, dass die die spiralförmigen Leisten 3 tragende Scheibe 2 auf dem überwiegenden Teil ihres Umfangs mit der äusseren Kontur der Leisten 3 abschliesst. Dieser Bereich gilt als der nicht überlappte Spiralenbereich und ist massgebend für die Geringhaltung des Aussendurchmessers der Maschine. Mit dem Winkelmass "OV" ist der überlappte Bereich der Spirale bezeichnet. In jenem Bereich ragt die Scheibe 2 radial über die Leisten 3 hinaus. Mit 5 ist in diesem Bereich "OV" ein radial ausserhalb der Leisten 3 angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines nicht dargestellten Führungslagers, welches auf einem Führungsbolzen 30 aufgezogen ist. Die Kontur der Scheibe 2 ist an der für die gegenseitige Abdichtung der (später zu erläuternden) Förderräume 11 vorgesehenen Stelle in der Form der Bewegungsbahn der Scheibe ausgebildet. Im Beispielsfall ist es eine Aussparung 20, die ellipsenförmig ausgebildet ist.
In Fig. 2 ist die Gehäusehälfte 7b des aus zwei Hälften zusammengesetzten, über Befestigungsaugen 8 zur Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbundenen Maschinengehäuses gezeigt. 11 bezeichnet den Förderraum, der nach der Art eines spiralförmigen Schlitzes in beide Gehäusehälften eingearbeitet ist. Er verläuft parallel von einem äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 12 zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen Auslass 13. Der Förderraum 11 weist im Wesentlichen etwa parallele, ungefähr in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände 14, 15 auf, die wie die Leisten 3 eine Spirale umfassen. In einem Ansaugraum 16, welcher den Einlass 12 mit dem Förderraum 11 verbindet, ist eine Achse 28 für die drehbare Lagerung der Führungseinrichtung vorgesehen.
Da im Bereich "OV" die Scheibe 2 über die Leisten 3 hinausragt, muss sie mindestens eine Gehäusehälfte durchdringen. Dies geschieht im vorliegenden Fall an der dargestellten Gehäusehälfte 7b. Hierzu ist an geeigneter Stelle des Gehäuses - an einem Rande des überlappten Bereiches "OV" der Spirale - der innere Steg 18 der Gehäusehälfte 7b gegenüber dem äusseren Steg 17 um den Betrag der Scheibendicke abgesenkt. Diese Massnahme weist unter anderem den Vorteil auf, dass in der unteren Gehäusehälfte 7b nur am inneren Steg ein Dichtstreifen (nicht dargestellt) anzuordnen ist, der bis zum Auslass 13 hin den Förderraum 11 gegen den Ansaugraum 16 abdichtet. Durch diese notwendige Absenkung der äusseren Zylinderwand an mindestens einer Gehäusehälfte, hier 7b, zur Aufnahme der Scheibe 2 beim Einschwingen des Läufers in diesem Bereich entsteht eine Gehäusekante 19.
Aus dem Längsschnitt gemäss Fig. 3, welcher die zusammengesetzte Maschine darstellt, ist ersichtlich, dass die Antriebswelle 24 in den beiden Gehäusehälften 7a und 7b mittels nicht näher bezeichneten Wälzlagern gelagert ist. Sie wird über eine Riemenscheibe 26 in Drehung versetzt. Den Antrieb des Läufers 1 besorgt die Antriebswelle 24 über die Exzenterscheibe 23. Auf dieser Scheibe 23 sitzt das Lager 22, hier als Wälzlager gezeigt, welches beidseitig über Wellendichtringe 25 gegen den Gehäuseinnenraum abgedichtet ist. Ebenfalls beidseitig der Exzenterscheibe 23 sitzen Gegengewichte 27 auf der Antriebswelle 24.
Die Führung des Läufers 1 wird durch die Führungseinrichtung 29 besorgt. Je nach dem ob die Führungseinrichtung 29 aus einer Schwinge oder aus einer mit der Antriebswelle synchron laufenden Führungswelle (nicht dargestellt) besteht, führen alle Punkte auf den Leisten 3 eine ellipsenähnliche oder eine kreisförmige Verschiebebewegung aus. Im Beispielsfall besteht die Führungseinrichtung 29 aus einer Schwinge 31, deren eines Ende drehbar um die Achse 28 im Gehäuse gelagert ist (Fig. 2), während das andere Ende über den Führungsbolzen 30 in das Auge 5 des Läufers eingreift.
Aus Fig. 4 ist erkennbar, dass bei eingelegtem Läufer 1 die Leisten 3 zwischen den Zylinderwänden 14 und 15 des Gehäuses 7 eingreifen. Deren Krümmung ist so bemessen, dass die Leisten die innere 15 und die äussere 14 Zylinderwand beispielsweise an jeweils einer Stelle nahezu berühren. Während des Betriebes gleiten die Leisten 3 mit linienförmigen Kontaktstellen zu den Zylinderwänden 14 und 15. Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherung der Leisten 3 an die innere 15 resp. äussere Zylinderwand 14 des Förderraumes 11 ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten 3 sichelförmige, das Arbeitsmedium einschließende Arbeitsräume, die während des Antriebes der Läuferscheibe 2 durch den Förderraum 11 in Richtung auf den zentralen Auslass 13 verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird entsprechend erhöht.
Soweit sind Spiralverdichter mit Doppelspiralen bekannt oder bei fachgemässer Interpretation zumindest aus dem eingangs angeführten Stand der Technik herleitbar, indes mit den eingangs erwähnten Nachteilen. Damit während des Betriebes mit Sicherheit einander benachbarte durchströmte Räume, in denen unterschiedliche Drücke herrschen, vollständig gegeneinander abgedichtet sind, werden nunmehr erfindungsgemäss die in Wirkverbindung stehenden Elemente 19 und 20 aufeinander abgestimmt. Hierbei wird im Folgenden der Begriff "kreisbogenähntich" verwendet, da es beim Absatz in der Scheibe, d.h. bei deren massgebender Kontur, lediglich um deren Lage an der Peripherie der Scheibe geht und nicht um die exakte Beschreibung ihrer geometrischen Gestalt. Letztere wird nämlich durch die Art der eingesetzten Führungseinrichtung bestimmt. So beschreiben beim Doppelwellen-Exzentertrieb alle Punkte des Läufers einen Kreis, bei der Schwinge als Führungselement beschreibt nur das Zentrum der Nabe des Läufers einen Kreis, die übrigen Punkte beschreiben eine ellipsenähnliche Kurve. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird nachstehend eine Führungseinrichtung 29 mit Schwinge 31 zugrunde gelegt. Bei dieser Lösung ergibt sich die Möglichkeit, die in Wirkverbindung stehenden Elemente 19 und 20 geometrisch zwischen die beiden Lagerpunkte der Führungseinrichtung 29 anzuordnen. Dies wirkt sich insofern vorteilhaft aus, als dadurch der überlappte Bereich "OV" und damit das Gewicht des Läufers kleinstmöglich gehalten werden kann. Ausserdem verkürzt sich sich die Strömungsstrecke zwischen Einlass 12 und Ansaugraum 16.
Die Abstimmung der für die richtige Funktionsweise wesentlichen Elemente geschieht nun folgendermassen: Die Gehäusekante 19, welche den Übergang zwischen erhabenem ersten Teil 17 und abgesenktem zweiten Teil 18 der äusseren Zylinderwand 14 bildet, wird als knollenartige Verdickung ausgebildet. Deren Erstreckung "D" in radialer Richtung sollte an der breitesten Stelle der Verdickung mindestens halb so gross sein wie das Mass der Exzentrizität "e". Die Verdickung ist als im wesentlichen kreisförmiger Absatz ausgebildet, wobei Erstreckung "D" in diesem Fall den Durchmesser des Absatzes darstellt. Die Aussparung 20 der Scheibe wird danach in der Form ihrer Bewegungsbahn ausgebildet, je nach Geometrie der Verdickung kreisbogenähnlich, hier ellipsenförmig. Zugrundegelegt werden nun alle Betriebszustände, in denen im äusseren sichelförmigen Arbeitsraum, der durch die Leisten 3 und die äussere Zylinderwand 14 gebildet wird, ein höherer Druck herrscht als im Ansaugraum 16 ausserhalb des zweiten Teils 18 der äusseren Zylinderwand 14. In diesen Perioden soll kein Rückströmen aus dem sichelförmigen Arbeitsraum möglich sein. Hierzu wird die Grösse dieser Aussparung 20 so angepasst, dass deren Kontur während dieser Perioden mit dem kreisförmigen Absatz der Gehäusekante 19 kooperiert. Und zwar eine Kooperation zwecks Bildung einer sich über die Absatzhöhe erstreckenden tatsächlichen Dichtlinie 21.
Wie die Gehäusekante 19 anlässlich des Maschinenbetriebes zwecks Bildung einer Dichtlinie 21 mit der Aussparung 20 der Scheibe zusammenwirkt, zeigen die Fig. 4 bis 6. Die jeweilige Winkellage des Läufers ist am einfachsten anhand der Stellung der Gegengewichte 27 zu erkennen.
In Fig. 4 ist die Lage des Läufers 1 eingetragen, bei welcher der durch die Leisten 3 und die äussere Zylinderwand 14 gebildete sichelförmige äussere Arbeitsraum vollständig eingeschlossen ist. Es ist zu erkennen, dass die Dichtlinie 21 im Eingriff ist. Aus dieser Darstellung ist auch ersichtlich, dass der Durchmesser "D" der Kante 19, sofern sie kreisförmig ausgebildet ist, eine gewisse minimale Grösse aufweisen muss, damit die Wirkverbindung funktionsfähig ist. Die blosse Abrundung der abzubrechenden Gehäusewand, wie sie aus der genannten DE 3407939 C1 bekannt ist, führt nicht zum Erfolg.
Bei Verschiebung des Läufers 1 in Förderrichtung, welche in Fig. 4 innerhalb des Gegengewichtes 27 durch einen Pfeil angedeutet ist, wird dieser äussere sichelförmige Arbeitsraum in seinem Volumen verkleinert und mit dem zentralen Auslass 13 verbunden. Der Druck im Arbeitsraum steigt an; die Abdichtung gegen den Ansaugraum 16 ist gegeben durch das Abwälzen der kreisbogenförmigen/-ähnlichen Aussparung 20 auf der Kante 19 unter steten Bildung einer Dichtlinie 21.
Fig .5 zeigt die äusserste Winkellage, bei welcher noch eine Dichtung stattfindet. Das Ausstossen des Arbeitsmittels aus dem äusseren Arbeitsraum ist fast vollendet. Bereits wird auch Arbeitsmittel aus dem inneren Arbeitsraum ausgestossen. Diese äusserste Dichtlinie ist überaus wichtig, um zu vermeiden, dass verdichtetes Arbeitsmittel vom Spiralenende her zurück in den Ansaugraum strömt.
Nach alldem ist erkennbar, dass mit der vorliegenden Erfindung eine Dichtart geschaffen wurde, die über einen Winkelbereich von ca. 250° arbeitet.
Fig. 6 zeigt den Bereich, in dem eine Dichtung unnötig, ja sogar unerwünscht ist. Die Aussparung 20 hat jetzt von der Kante 19 abgehoben; es findet in diesem Bereich keine Dichtung statt. Zu diesem Zeitpunkt wird Arbeitsmittel am Spiralenende aus dem inneren Arbeitsraum gegen den Auslass 13 hin herausgefördert, und am Spiralenanfang bereits wieder vom Einlass 12 her in den inneren Arbeitsraum angesaugt. Der äussere Arbeitsraum ist am Spiralenende gegen den Ansaugraum 16 und am Spiralenanfang gegen den Einlass 12 hin offen, was seine Füllung erleichtert. Ein Rückströmen von verdichtetem Arbeitsmittel aus dem inneren Arbeitsraum um das Spiralenende herum in den Ansaugraum 16 ist nicht möglich, da zu diesem Zeitpunkt im austrittsseitigen Bereich der Spirale die Leiste 3 gegen die äussere Zylinderwand 14 dichtet.

Claims

Spiralverdichter mit Doppelspirale für kompressible Medien mit einem in einem feststehenden Gehäuse (7a, 7b) zwischen Zylinderwänden (14, 15) angeordneten spiralförmigen Förderraum (11), in dem ein Läufer (1) angeordnet ist, bestehend im wesentlichen aus einer Scheibe (2) und auf mindestens einer Seite der Scheibe angebrachten spiralförmigen Leisten (3), die gegenüber dem Gehäuse exzentrisch derart gehalten sind, dass während des Betriebes jeder Punkt der Leisten (3) eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Bewegung ausführt, wobei die die spiralförmigen Leisten tragende Scheibe (2) mit der äusseren Kontur der Leisten in einem sogenannten nicht überlappten Bereich abschliesst, und wobei die Kontur der Scheibe (2) in einem sogenannten überlappten Bereich ("OV") radial über die Leisten (3) hinausragt, an der für die gegenseitige Abdichtung von durchströmten Räumen (11, 16) vorgesehenen Stelle in der Form einer Bewegungsbahn ausgebildet ist, die eine Gehäusekante (19) vorgibt, welche Gehäusekante (19) durch die notwendige Absenkung der äusseren Zylinderwand (14) des Förderraumes (11) an mindestens der einen Gehäusehälften (7b) zur Aufnahme der Scheibe beim Einschwingen des Läufers in diesem Bereich als Übergang zwischen erhabenem äusseren Steg (17) und abgesenktem inneren Steg (18) der äusseren Zylinderwand (14) entstanden ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Gehäusekante (19) an der für die gegenseitige Abdichtung von durchströmten Räumen (11, 16) vorgesehenen Stelle ebenfalls in der Form einer Bewegungsbahn als im wesentlichen kreisförmige knollenartige Verdickung ausgebildet ist,

- wobei die Erstreckung "D" der Verdickung in radialer Richtung an der breitesten Stelle mindestens halb so gross ist wie das Mass der Exzentrizität "e" von einer Achse (9) einer Antriebswelle (24) und einer Achse (10) einer Exzenterscheibe (23), auf welcher die Scheibe (2) aufgezogen ist,

- und dass während des Maschinenbetriebes in den Perioden, in denen im äusseren sichelförmigen Arbeitsraum, der durch die Leisten (3) und die äussere Zylinderwand (14) gebildet wird, ein höherer Druck herrscht als im radial ausserhalb der äusseren Zylinderwand (14) angeordneten Ansaugraum (16), diese im wesentlichen kreisförmige knollenartige Verdickung (19) zwecks Bildung einer sich über die Übergangshöhe erstreckenden Dichtlinie (21) mit einer im wesentlichen kreisförmigen oder ellipsenförmigen Aussparung (20) der Scheibe (2) in Form einer Bewegungsbahn umgreifend kooperiert.
Spiralverdichter mit Doppelspirale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kooperierenden knollenartige Verdickung (19) und Scheibenkontur (20) gegen das austrittsseitige Ende der Spirale hin angeordnet sind.