EP4634528A1 - Radialkolbenverdichter - Google Patents

Radialkolbenverdichter

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Publication number
EP4634528A1
EP4634528A1 EP23829006.8A EP23829006A EP4634528A1 EP 4634528 A1 EP4634528 A1 EP 4634528A1 EP 23829006 A EP23829006 A EP 23829006A EP 4634528 A1 EP4634528 A1 EP 4634528A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
bearing
radial piston
bearings
housing
Prior art date
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Pending
Application number
EP23829006.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thilo Kowalschek
Tim Müller
Sören Franke
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.)
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Dynamic Components GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Dynamic Components GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, Thyssenkrupp Dynamic Components GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4634528A1 publication Critical patent/EP4634528A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/04—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B27/0404—Details, component parts specially adapted for such pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B27/04—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
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    • F04B27/0414—Cams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B27/053—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement with an actuating element at the inner ends of the cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/12—Casings; Cylinders; Cylinder heads; Fluid connections
    • F04B39/121—Casings

Definitions

  • the invention relates to a radial piston compressor according to the preamble of claim 1.
  • a radial piston compressor is an element of fluid technology.
  • at least one piston-working chamber combination is arranged radially and perpendicular to the drive shaft, in contrast to an axial piston compressor.
  • a radial piston compressor can also be referred to as a compressor based on the radial piston principle.
  • the conveying or lifting movement of the piston is usually caused by an eccentric.
  • the drive shaft can also be referred to as an eccentric shaft.
  • the radial piston compressor usually comprises several piston-working chamber combinations that extend in a star shape and radially from the drive shaft or eccentric shaft.
  • a piston-working chamber combination essentially comprises a working chamber, also called a cylinder, and a piston that is moved up and down in the working chamber.
  • the piston has a central geometric piston axis that corresponds to the direction of displacement of the piston.
  • the piston In a radial piston compressor with an eccentric shaft, the piston has a contact surface on its side facing the eccentric shaft, onto which the eccentric disk strikes or rests during rotation of the eccentric shaft.
  • the eccentric shaft has an axis of rotation around which the eccentric shaft is rotated. When the eccentric strikes the contact surface, the piston moves upwards and a medium in the working chamber is compressed.
  • Radial piston compressors are used, for example, to compress coolant in air conditioning systems in motor vehicles, especially in electrically powered vehicles.
  • a coolant such as CO2 can be used as a medium to be compressed.
  • other media or coolants are also conceivable.
  • the refrigerant is sucked in, compressed and expelled again.
  • This periodic process has a uniform phase shift between the cylinders, which depends on the number of cylinders.
  • the pressure that builds up in the cylinder acts on the eccentric pin via the piston surface and thus stimulates the eccentric shaft.
  • the superposition of the forces of all cylinders involved in the compression process results in the resulting force on the eccentric shaft.
  • the eccentric shaft in turn, in conjunction with the bearing and the surrounding housing, represents a system capable of vibration. This is stimulated to bending vibrations as a result of the periodically acting compression pressures.
  • this object is achieved by a radial piston compressor with the characterizing features of claim 1.
  • the eccentric shaft is rotatably mounted in the radial piston compressor by at least three bearings, preferably three bearings.
  • the radial piston compressor can comprise a drive housing, a compressor housing and a compressor housing cover.
  • the housing of the radial piston compressor can have further components or can basically be designed in two parts.
  • the positions of the individual bearings are suitable for a preferred embodiment of the invention, in particular since they are in the individual Housing parts are easily accessible and can be easily assembled or disassembled, for example for maintenance purposes.
  • the first bearing is accommodated in the compressor housing cover, the second bearing in the compressor housing and the third bearing in the drive housing.
  • a preferred positioning of the bearings with regard to the available housing components is specified.
  • the bearings can be easily mounted or dismantled on the individual housing components.
  • first bearing and the second bearing are accommodated in the compressor housing and the third bearing in the drive housing.
  • a preferred positioning of the bearings with regard to the available housing components is specified.
  • the bearings can be easily mounted or dismantled on the individual housing components.
  • the shaft has a vibration node due to the three bearing points and their arrangement, wherein this vibration node is arranged in its axial position close to the location of a load introduction.
  • the bearings are designed as plain or rolling bearings, in particular as cylindrical roller bearings or ball bearings.
  • Such types of bearings have an advantageous bearing rigidity.
  • one of the bearings can be designed as an axial bearing. Accordingly, the eccentric shaft can be axially fixed via the axial bearing.
  • the bearings are held in the housing by means of pressing. This type of fixing of the bearings can be used well in industrial series production.
  • Fig. 1 shows a first bending mode of a shaft with external double bearing
  • Fig. 2 shows a first bending mode of a shaft with triple support and vibration nodes close to the location of excitation
  • Fig. 3 an eccentric shaft of a radial piston compressor according to the invention in a side sectional view
  • Fig. 4 shows an embodiment of a radial piston compressor according to the invention in a side sectional view
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a radial piston compressor according to the invention in a side sectional view
  • Fig. 6 shows a further embodiment of a radial piston compressor according to the invention in a side sectional view
  • Fig. 7 is a sectional plan view of a radial piston compressor according to the invention.
  • a first bending mode G of an eccentric shaft 23 with external double bearing is shown schematically. This is intended to make it clear in particular that in a conventional bearing system with two bearings 3, 4 at the beginning and at the end of the shaft 23, a first bending mode G of the shaft is formed, which is exclusively or outside the bearing points 3, 4 has vibration nodes S. As shown in Fig. 1, the arrangement shown here has two vibration nodes S.
  • Vibration mode and vibration node are terms from (mechanical) vibration theory or machine dynamics.
  • the vibration mode or vibration mode describes the form/formation of a natural frequency of an elastic structure.
  • torsional vibration modes in which the shaft vibrates around the axis of rotation, or mixed forms.
  • NVH Noise Vibration Harshness
  • the problem lies in the occurrence of bending vibration resonances, which severely affect the acoustic behavior. How strongly a resonance of a system can be excited depends essentially on the factors of excitation frequency, excitation amplitude, system damping, location of the excitation and/or vibration shape. The first four factors are difficult to influence due to the nature of the system.
  • the eccentric shaft is supported by at least three bearings, preferably three bearings, in the radial piston compressor.
  • it is proposed to influence the vibration shape by a targeted selection of the number of bearings, bearing position, and/or bearing stiffness so that the vibration node is as close as possible to the location of the excitation.
  • Fig. 2 shows, for example, a first bending mode G of a shaft 23 with triple bearings and vibration node S close to the location of the excitation 0.
  • the vibration node S and the location of the excitation 0 meet exactly, no resonance would occur.
  • the expert strives the compressor is to be designed in such a way that the vibration level S is as close as possible to the location of the excitation or the location of the force introduction.
  • the shaft 23 here comprises a first bearing 3, a second bearing 4 and a third bearing 5.
  • the location of the force introduction 0 or the location of the excitation 0 is shown schematically here as a point and represents the forces acting on the shaft 23.
  • Figs. 3 to 6 relate to embodiments of radial piston compressors according to the invention.
  • the design of the radial piston compressor was coordinated so that the 3rd bearing point, in particular with the associated adapted rigidities of the bearings, shaft and housing parts, leads to the described effect.
  • FIG. 3 a cut-out eccentric shaft 23, 24 with a rotor 12 of a radial piston compressor according to the invention is shown.
  • the eccentric shaft 23, 24 essentially comprises a drive shaft 23 and an eccentric disc 24.
  • An eccentric bearing 27, such as a needle bearing, can be mounted on the eccentric disc 24.
  • a bearing 3, 4, 5, in particular a ball bearing is mounted at three different axial positions of the eccentric shaft 23, 24, in particular a first bearing 3 in the area of one end of the eccentric shaft, a second bearing 4 approximately in the middle of the eccentric shaft and a third bearing 5 at the other end of the eccentric shaft. It can be seen in particular that the second bearing 4 is arranged between the eccentric disk 24 and the rotor 12. It can also be seen that this results in a bearing arrangement of the shaft 23 in which the eccentric disk 24 is arranged in the axial direction between two bearings, the bearings 3 and 4.
  • the bending vibration shape G (shown in dashed lines) of the shaft 23 according to Fig. 3 has a vibration node S due to the three bearing points 3, 4, 5 and their arrangement. This vibration node S is arranged in its axial position, in particular on the axis of rotation D of the shaft 23, close to the location of the load introduction 0.
  • FIG. 4 an embodiment of a radial piston compressor according to the invention is shown in a side sectional view.
  • a radial piston compressor comprises, in addition to the eccentric shaft 23, 24, essentially a
  • the drive device 1 essentially comprises a drive housing 11 and a rotor 12. A stator is not shown here for reasons of clarity.
  • the drive device 1 is therefore essentially preferably designed as an electric motor.
  • the compressor unit 2 essentially comprises at least one, preferably several, piston-working chamber combinations 21, 22, which are arranged around the eccentric shaft 23, 24.
  • the piston-working chamber combinations 21, 22 preferably extend radially from the eccentric shaft 23, 24.
  • the piston-working chamber combinations 21, 22 are arranged in a compressor housing 25, also called a cylinder housing, or it can be provided that the working chamber(s) 21 are formed, at least partially, from the compressor housing 25.
  • the compressor housing 25 is equipped with a compressor housing cover 26 on one side. The compressor housing cover 26 can be removed, for example, for maintenance purposes and/or form part of the working chamber(s) 21.
  • the housing components are arranged in the following sequence: compressor housing cover 26, compressor housing 25, drive housing 11, whereby in the design according to Fig. 4 the compressor housing 25 does not extend to the outer surface of the compressor.
  • the housing components can be connected detachably using screws.
  • the housing of the radial piston compressor can be formed from the drive housing 11, the compressor housing 25 and the compressor housing cover 26.
  • the piston-working chamber combination as such comprises a working chamber 21 and a piston 22 slidably received in the working chamber 21.
  • a fluid contained in the working chamber 21 such as a coolant, in particular CO2, can be compressed.
  • the drive device 1 causes the drive shaft 23 to rotate, whereby the eccentric disk 24 hits the piston 22, in particular the piston bottom. This causes the piston 22 to be displaced away from the eccentric shaft within the working chamber 21.
  • the piston(s) 22 are therefore driven by the eccentric shaft.
  • a piston guide ring 29 can also be provided, which can come into contact with the piston(s) 22 and can push the piston 22 back in the direction of the eccentric shaft 23, 24.
  • the eccentric disk 24 can be equipped with an eccentric bearing 27.
  • the piston 22, in particular the piston bottom can also be equipped with a transmission element 28.
  • the transmission element 28 can be made of a different material than, for example, the piston 22, for example plastic or, in particular, metal alloys, which is advantageously suitable for the frequently recurring contacts with the eccentric disk 24 or eccentric bearing 27.
  • the invention provides that the eccentric shaft is supported in the radial piston compressor by at least three bearings, preferably three bearings 3, 4, 5.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the radial piston compressor according to the invention, the eccentric shaft 23, 24 of which is mounted in the radial piston compressor by means of three bearings 3, 4, 5. It is provided here that the first bearing 3 is accommodated in the compressor housing cover 26, the second bearing 4 in the compressor housing 25 and the third bearing 5 in the drive housing 11.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the radial piston compressor according to the invention, the eccentric shaft 23, 24 of which is mounted in the radial piston compressor by means of three bearings 3, 4, 5. It is provided here that the first bearing 3 and the second bearing 4 are accommodated in the compressor housing 25 or the cylinder housing 25 and the third bearing 5 in the drive housing 11. The bearings 3 and 4 are thus arranged axially along the shaft 23 on both sides of the piston 22 or on both sides of the working chamber 21. In this way, the bearings 3 and 4 are arranged axially very close to the point of load introduction 0 and can optimally support the shaft 23.
  • the housing of the radial piston compressor can be formed from the drive housing 11, the compressor housing 25 and the compressor housing cover 26.
  • Fig. 6 an embodiment of the radial piston compressor according to the invention is shown, the eccentric shaft 23, 24 of which is mounted in the radial piston compressor by means of three bearings 3, 4, 5. It is provided here that the first bearing 3 and the second bearing 4 are accommodated in the compressor housing 25 and the third bearing 5 in the drive housing 11. It is further provided that the eccentric shaft 23, 24 is designed in several parts in the axial direction. Essentially, it can have a first axial section 231 and at least one second section 232, preferably only one second section 232. In this respect, the eccentric shaft can also be referred to as a built-up eccentric shaft.
  • the housing of the radial piston compressor can be formed from the drive housing 11, the compressor housing 25 and the compressor housing cover 26. As shown in Fig.
  • the compressor housing 25 in this design of the radial piston compressor extends to its outer surface or outer casing surface.
  • the eccentric shaft is axially guided by a locking ring 30. This has the advantage that the bearings do not have to absorb any axial forces.
  • a radial piston compressor according to the invention is shown in a sectional plan view, in particular to illustrate the arrangement of a plurality of, in this case six, piston-working chamber combinations 21, 22. For reasons of clarity, only one piston-working chamber combination is provided with the reference numerals 21, 22.
  • the radial piston compressor according to the invention can further be characterized by the following features.
  • bearings 3, 4, 5 are designed as plain or rolling bearings, in particular as cylindrical roller bearings or ball bearings.
  • one of the bearings 3, 4, 5 is designed as an axial bearing.
  • bearings 3, 4, 5 are received in the housing 11, 25, 26 by means of pressing.
  • the eccentric shaft can be guided axially by a retaining ring 30.
  • the bearings 3, 4 and 5 therefore do not have to absorb any axial forces.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialkolbenverdichter, umfassend eine Verdichtereinheit (2) und eine Antriebseinrichtung (1) zum Antrieb der Verdichtereinheit (2), wobei die Verdichtereinheit (2) mindestens eine, vorzugsweise eine Mehrzahl von Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen (21, 22) umfasst, die radial um eine Exzenterwelle (23, 24) angeordnet sind, wobei jede Kolben-Arbeitsraum-Kombination (21, 22) einen Arbeitsraum (21) mit einem darin verschiebbar aufgenommenen Kolben (22) umfasst, wobei der Kolben (22) durch die Exzenterwelle (23, 24) angetrieben wird, wobei die Exzenterwelle (23, 24) durch mindestens drei Lager, vorzugsweise drei Lager (3, 4, 5), in dem Radialkolbenverdichter drehbar gelagert ist.

Description

Radialkolbenverdichter
Die Erfindung betrifft einen Radialkolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Radialkolbenverdichter ist ein Element der Fluidtechnik. Bei diesem Radialkolbenverdichter ist mindestens eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination im Gegensatz zu einem Axialkolbenverdichter radial und senkrecht zur Antriebswelle angeordnet. Ein Radialkolbenverdichter kann auch als Verdichter nach dem Radialkolbenprinzip angesprochen werden.
Die Förder- bzw. Hubbewegung des Kolbens wird zumeist durch einen Exzenter hervorgerufen. Insofern kann die Antriebswelle auch als Exzenterwelle angesprochen werden. In der Regel umfasst der Radialkolbenverdichter mehrere Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen, die sich sternförmig und radial von der Antriebswelle bzw. Exzenterwelle, erstrecken.
Eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination umfasst im Wesentlichen einen Arbeitsraum, auch Zylinder genannt, und einen Kolben, der in dem Arbeitsraum auf und ab bewegt wird. Der Kolben weist eine mittige geometrische Kolbenachse auf, die mit der Verschieberichtung des Kolbens übereinstimmt. Bei einem Radialkolbenverdichter mit einer Exzenterwelle umfasst der Kolben auf seiner der Exzenterwelle zugewandten Seite eine Kontaktfläche, auf welche die Exzenterscheibe während der Drehung der Exzenterwelle auftrifft bzw. anliegt. Die Exzenterwelle weist eine Drehachse auf, um welche die Exzenterwelle gedreht wird. Mit dem Auftreffen des Exzenters auf die Kontaktfläche kommt es zu einer Kolbenaufwärtsbewegung und zur Verdichtung eines in dem Arbeitsraum befindlichen Mediums.
Radialkolbenverdichter finden beispielsweise zur Verdichtung von Kühlmittel in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, insbesondere auch in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Verwendung. Als zu verdichtendes Medium kommt beispielsweise ein Kühlmittel wie CO2 in Frage. Aber auch andere Medien bzw. Kühlmittel sind denkbar.
Während einer Umdrehung wird das Kältemittel angesaugt, verdichtet und wieder ausgestoßen. Dieser periodische Prozess weist zwischen den Zylindern einen gleichmäßigen Phasenversatz auf, welcher sich in Abhängigkeit der Zylinderzahl ergibt. Der sich im Zylinder einstellende Druck wirkt über die Kolbenfläche auf den Exzenterzapfen und stellt damit eine Anregung auf die Exzenterwelle dar. Die Überlagerung der Kräfte aller am Verdichtungsprozess beteiligten Zylinder ergibt die resultierende Kraft auf die Exzenterwelle. Die Exzenterwelle wiederum, stellt in Verbindung mit der Lagerung und dem umgebenden Gehäuse ein schwingungsfähiges System dar. Dieses wird infolge der periodisch wirkenden Verdichtungsdrücke zu Biegeschwingungen angeregt.
Bei dem hier beschriebenen System wirken sich Biegeschwingungen besonders nachteilig auf das akustische Verhalten aus, da im Bereich von Resonanzen das statische Kräftegleichgewicht nicht mehr erfüllt wird. Resonanzen treten auf, wenn die Eigenfreguenz des schwingungsfähigen Systems mit der Anregungsfreguenz übereinstimmt.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe einen verbesserten Radialkolbenverdichter vorzuschlagen, insbesondere einen Radialkolbenverdichter vorzuschlagen, der ein verbessertes akustisches Verhalten aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Radialkolbenverdichter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Exzenterwelle durch mindestens drei Lager, vorzugsweise drei Lager, in dem Radialkolbenverdichter drehbar gelagert ist. Mit anderen Worten, um das akustische Verhalten des Radialkolbenverdichters zu verbessern bietet es sich an, durch eine gezielte Wahl der Lageranzahl, Lagerposition, und/oder Lagersteifigkeit, das System dahingehen zu beeinflussen, dass sich Resonanzen weniger stark ausprägen können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Radialkolbenverdichter ein Antriebsgehäuse, ein Verdichtergehäuse und einen Verdichtergehäusedeckel umfasst. Grundsätzlich kann das Gehäuse des Radialkolbenverdichters noch weitere Komponenten aufweisen oder grundsätzlich auch nur zweigeteilt ausgestaltet sein. Bei der hier skizzierten Dreiteilung bieten sich jedoch die Positionen der einzelnen Lager für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an, insbesondere da sie in den einzelnen Gehäuseteilen leicht zugänglich sind und leicht montiert bzw. demontiert werden können, beispielsweise zu Wartungszwecken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Lager in dem Verdichtergehäusedeckel, das zweite Lager in dem Verdichtergehäuse und das dritte Lager in dem Antriebsgehäuse aufgenommen ist. Hier wird eine bevorzugte Positionierung der Lager im Hinblick auf die verfügbaren Gehäusekomponenten angegeben. Wie bereits oben skizziert, können die Lager an den einzelnen Gehäusekomponenten gut montiert bzw. demontiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Lager und das zweite Lager in dem Verdichtergehäuse und das dritte Lager in dem Antriebsgehäuse aufgenommen ist. Hier wird eine bevorzugte Positionierung der Lager im Hinblick auf die verfügbaren Gehäusekomponenten angegeben. Wie bereits oben skizziert, können die Lager an den einzelnen Gehäusekomponenten gut montiert bzw. demontiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle aufgrund der drei Lagerstellen und deren Anordnung einen Schwingungsknoten aufweist, wobei dieser Schwingungsknoten in seiner axialen Lage nahe am Ort einer Lasteinleitung angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lager als Gleit- oder Wälzlager, insbesondere als Zylinderrollenlager oder Kugellager, ausgestaltet sind. Derartige Lagerarten weisen eine vorteilhafte Lagersteifigkeit auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eines der Lager als Axiallager ausgestaltet ist. Entsprechen kann über das Axiallager eine axiale Fixierung der Exzenterwelle vorgenommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lager im Gehäuse mittels Pressung aufgenommen sind. Eine derartige Fixierung der Lager lässt sich in einer industriellen Serienproduktion gut einsetzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine axiale Führung der Exzenterwelle durch einen Sicherungsring erfolgt. Daraus ergibt sich vorteilhaft, dass die Lager keine axialen Kräfte aufnehmen müssen. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine erste Biegeschwingform einer Welle mit außenliegender 2fach-Lagerung;
Fig. 2 eine erste Biegeschwingform einer Welle bei Dreifachlagerung und Schwingungsknoten nah am Ort der Anregung;
Fig. 3 eine Exzenterwelle eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters in einer seitlichen geschnittenen Ansicht;
Fig. 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßer Radialkolbenverdichter in einer seitlichen geschnittenen Ansicht;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters in einer seitlichen geschnittenen Ansicht;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters in einer seitlichen geschnittenen Ansicht;
Fig. 7 eine geschnittene Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter.
Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:
S Schwingungsknoten
0 Ort der Anregung, Lasteinleitung
G Schwingform
D Drehachse
1 Antriebseinrichtung
2 Verdichtereinheit
3 erstes Lager
4 zweites Lager
5 drittes Lager
11 Antriebsgehäuse
12 Rotor
21 Arbeitsraum
22 Kolben
23 Antriebswelle
24 Exzenterscheibe 25 Verdichtergehäuse, Zylindergehäuse
26 Verdichtergehäusedeckel
27 Exzenterlager
28 Übertragungselement
29 Kolbenführungsring
30 Sicherungsring
231 erster Abschnitt
232 zweiter Abschnitt
Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine" und „der/die/das" auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf" und/oder „aufweisend", wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder" jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.
In der Fig. 1 ist schematisch eine erste Biegeschwingform G einer Exzenterwelle 23 mit außenliegender 2fach-Lagerung dargestellt. Hierdurch soll insbesondere verdeutlicht werden, dass bei einem herkömmlichen Lagerungssystem mit zwei Lagern 3, 4 am Anfang und am Ende der Welle 23, sich eine erste Biegeschwingform G der Welle ausbildet, welche ausschließlich an oder außerhalb der Lagerstellen 3, 4 Schwingungsknoten S besitzt. In Fig. 1 gezeigt, weist die hier dargestellte Anordnung zwei Schwingungsknoten S auf.
Schwingform und Schwingungsknoten sind Begriffe aus der (mechanischen) Schwingungslehre bzw. Maschinendynamik. Die Schwingform oder der Schwingmode beschreibt die Form/Ausbildung einer Eigenfreguenz einer elastischen Struktur. Neben Biegeschwingformen, gibt es Torsionsschwingformen, bei der die Welle um die Drehachse schwingt, oder Mischformen.
Bei Anregung eines derartigen Systems bildet sich eine sehr dominante Resonanz aus, welche wiederum zu einem schlechten NVH-Verhalten des Gesamtsystems führt. Unter dem NVH (Noise Vibration Harshness) wird im allgemeinen das akustische Verhalten zusammengefasst.
Um diese Eigenform signifikant in unkritische Anregungsbereiche zu verschieben, müssten die Wellensteifigkeit, Lagersteifigkeit und Gehäusesteifigkeit maßgeblich erhöht werden. Aufgrund der Bauraumrestriktionen und der Peripherie des Kompressors ist dies nur in eingeschränktem Maße möglich.
Wie zuvor beschrieben besteht das Problem in der Ausprägung von Biegeschwingungsresonanzen welche das akustische Verhalten stark beeinträchtigen. Wie stark eine Resonanz eines Systems angeregt werden kann, kann im Wesentlichen von den Faktoren Anregungsfreguenz, Anregungsamplitude, Systemdämpfung, Ort der Anregung und/oder Schwingform abhängen. Die ersten vier Faktoren können systembedingt nur schwer beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Exzenterwelle durch mindestens drei Lager, vorzugsweise drei Lager, in dem Radialkolbenverdichter gelagert ist. Mit anderen Worten, wird vorgeschlagen, durch eine gezielte Wahl der Lageranzahl, Lagerposition, und/oder Lagersteifigkeit die Schwingform dahingehend zu beeinflussen, dass der Schwingungsknoten möglichst nahe am Ort der Anregung liegt.
Hierzu ist in Fig. 2 beispielsweise eine erste Biegeschwingform G einer Welle 23 bei Dreifachlagerung und Schwingungsknoten S nah am Ort der Anregung 0 dargestellt. Für den theoretischen Fall, dass der Schwingungsknoten S und der Ort der Anregung 0 exakt aufeinander treffen würde sich keine Resonanz ausprägen. Aus praktischen Gründen, wie beispielsweise dem Bauraum und der dadurch nicht frei wählbaren Anordnung der Lagerstellen oder der Zylinderanordnung bzw. des Hubes (Höhe/Auslenkung des Exzenters) ist der Fachmann bestrebt den Verdichter derart zu auszulegen, dass der Schwingungskoten S möglichst nahe am Ort der Anregung bzw. den Ort der Krafteinleitung liegt. Wie erkennbar ist, umfasst die Welle 23 hier ein erstes Lager 3, ein zweites Lager 4 und ein drittes Lager 5. Der Ort der Krafteinleitung 0 bzw. der Ort der Anregung 0 ist hier schematisch als Punkt dargestellt und repräsentiert die auf die Welle 23 wirkenden Kräfte.
Nachfolgend wird auf die Fig. 3 bis 6 Bezug genommen, die erfindungsgemäße Ausführungsformen von Radialkolbenverdichtern betreffen. Insbesondere wurde die Ausgestaltung des Radialkolbenverdichters so abgestimmt, dass die 3te Lagerstelle, insbesondere mit den dazugehörigen angepassten Steifigkeiten der Lager, Welle und Gehäuseteile, zu dem beschriebenen Effekt führt.
In der Fig. 3 ist eine freigeschnittene Exzenterwelle 23, 24 mit einem Rotor 12 eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters dargestellt.
Die Exzenterwelle 23, 24 umfasst im Wesentlichen eine Antriebswelle 23 und eine Exzenterscheibe 24. Auf der Exzenterscheibe 24 kann ein Exzenterlager 27, wie beispielsweise ein Nadellager, angebracht sein.
Es ist ferner erkennbar, dass jeweils ein Lager 3, 4, 5, insbesondere ein Kugellager, an drei verschiedenen axialen Positionen der Exzenterwelle 23, 24 angebracht ist, insbesondere ein erstes Lager 3 im Bereich des einen Ende der Exzenterwelle, ein zweites Lager 4 etwa in der Mitte der Exzenterwelle und ein drittes Lager 5 am anderen Ende der Exzenterwelle. Es ist insbesondere erkennbar, dass das zweite Lager 4 zwischen der Exzenterscheibe 24 und dem Rotor 12 angeordnet ist. Des Weiteren ist erkennbar, dass sich daraus eine Lageranordnung der Welle 23 ergibt, bei der die Exzenterscheibe 24 in axialer Richtung zwischen zwei Lagern, den Lagern 3 und 4, angeordnet ist. Die Biegeschwingform G (gestrichelt dargestellt) der Welle 23 gemäß Fig. 3 weist aufgrund der drei Lagerstellen 3, 4, 5 und deren Anordnung einen Schwingungsknoten S auf. Dieser Schwingungsknoten S ist in seiner axialen Lage, insbesondere auf der Drehachse D der Welle 23, nahe am Ort der Lasteinleitung 0 angeordnet.
In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer seitlichen geschnittenen Ansicht dargestellt. Ein Radialkolbenverdichter umfasst, neben der Exzenterwelle 23, 24, im Wesentlichen eine
Antriebseinrichtung 1 und eine Verdichtereinheit 2.
Die Antriebseinrichtung 1 umfasst im Wesentlichen ein Antriebsgehäuse 11 und einen Rotor 12. Ein Stator ist aus Gründen der Übersicht hier nicht dargestellt. Die Antriebseinrichtung 1 ist damit im Wesentlichen bevorzugt als Elektromotor ausgestaltet.
Die Verdichtereinheit 2 umfasst im Wesentlichen mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Kolben- Arbeitsraum-Kombinationen 21, 22, die um die Exzenterwelle 23, 24 angeordnet sind. Vorzugsweise erstrecken sich die Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen 21, 22 radial von der Exzenterwelle 23, 24. Die Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen 21, 22 sind in einem Verdichtergehäuse 25, auch Zylindergehäuse genannt, angeordnet bzw. es kann vorgesehen sein, dass der bzw. die Arbeitsräume 21, zumindest teilweise, aus dem Verdichtergehäuse 25 gebildet werden. Es ist ferner vorgesehen, dass das Verdichtergehäuse 25 auf einer Seite mit einem Verdichtergehäusedeckel 26 ausgestattet ist. Der Verdichtergehäusedeckel 26 kann beispielsweise zu Wartungszwecken abgenommen werden und/oder einen Teil des bzw. der Arbeitsräume 21 ausbilden. In axialer Richtung ergibt sich folgende Abfolge der Gehäusekomponenten: Verdichtergehäusedeckel 26, Verdichtergehäuse 25, Antriebsgehäuse 11., wobei in der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 das Verdichtergehäuse 25 nicht bis zur Außenfläche des Verdichters erstreckt. Die Verbindung der Gehäusekomponenten kann lösbar über Schrauben erfolgen. Das Gehäuse des Radialkolbenverdichters kann aus dem Antriebsgehäuse 11, dem Verdichtergehäuse 25 und dem Verdichtergehäusedeckel 26 gebildet werden.
Die Kolben-Arbeitsraum-Kombination als solches umfasst einen Arbeitsraum 21 und einen in dem Arbeitsraum 21 verschiebbar aufgenommenen Kolben 22. Durch das Verschieben des Kolbens 22 in dem Arbeitsraum 21, kann das in dem Arbeitsraum 21 enthaltene Fluid, wie beispielsweise ein Kältemittel, insbesondere CO2, verdichtet werden.
Die Antriebseinrichtung 1 versetzt die Antriebswelle 23 in Drehung, wodurch die Exzenterscheibe 24 auf den Kolben 22, insbesondere den Kolbenboden, trifft. Hierdurch wird der Kolben 22 innerhalb des Arbeitsraum 21 von der Exzenterwelle weg verschoben. Der bzw. die Kolben 22 werden demnach durch die Exzenterwelle angetrieben. Auch kann ein Kolbenführungsring 29 vorgesehen sein, der mit dem bzw. den Kolben 22 in Kontakt treten kann und den Kolben 22 wieder in Richtung der Exzenterwelle 23, 24 zurückschieben kann. Wie oben bereits angedeutet, kann die Exzenterscheibe 24 mit einem Exzenterlager 27 ausgestattet sein. Auch kann der Kolben 22, insbesondere der Kolbenboden, mit einem Übertragungselement 28 ausgestattet sein. Das Übertragungselement 28 kann aus einem anderen Werkstoff, als beispielsweise der Kolben 22, ausgestaltet sein, beispielsweise aus Kunststoff oder insbesondere Metalllegierungen, welcher für die häufig wiederkehrenden Kontakte mit der Exzenterscheibe 24 bzw. Exzenterlager 27, vorteilhaft geeignet ist.
Weitere Komponenten, wie beispielsweise Ventile, Kanäle, etc. sind hier nicht detaillierter dargestellt. Das Funktionsprinzip eines Radialkolbenverdichters ist dem Fachmann jedoch hinreichend bekannt.
Wie bereits oben skizziert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Exzenterwelle durch mindestens drei Lager, vorzugsweise drei Lager 3, 4, 5, in dem Radialkolbenverdichter gelagert ist.
In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters dargestellt, dessen Exzenterwelle 23, 24 mittels dreier Lager 3, 4, 5 in dem Radialkolbenverdichter gelagert ist. Es ist hier vorgesehen, dass das erste Lager 3 in dem Verdichtergehäusedeckel 26, das zweite Lager 4 in dem Verdichtergehäuse 25 und das dritte Lager 5 in dem Antriebsgehäuse 11 aufgenommen ist.
In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters dargestellt, dessen Exzenterwelle 23, 24 mittels dreier Lager 3, 4, 5 in dem Radialkolbenverdichter gelagert ist. Es ist hier vorgesehen, dass das erste Lager 3 und das zweite Lager 4 in dem Verdichtergehäuse 25 bzw. dem Zylindergehäuse 25 und das dritte Lager 5 in dem Antriebsgehäuse 11 aufgenommen ist. Die Lager 3 und 4 sind somit axial entlang der Welle 23 beidseitig vom Kolben 22 bzw. beidseitig des Arbeitsraums 21 angeordnet. Auf diese Weise sind die Lager 3 und 4 axial sehr nah am Ort der Lasteinleitung 0 angeordnet und können die Welle 23 optimal stützen. Das Gehäuse des Radialkolbenverdichters kann aus dem Antriebsgehäuse 11, dem Verdichtergehäuse 25 und dem Verdichtergehäusedeckel 26 gebildet werden.
In der Fig. 6 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters dargestellt, dessen Exzenterwelle 23, 24 mittels dreier Lager 3, 4, 5 in dem Radialkolbenverdichter gelagert ist. Es ist hier vorgesehen, dass das erste Lager 3 und das zweite Lager 4 in dem Verdichtergehäuse 25 und das dritte Lager 5 in dem Antriebsgehäuse 11 aufgenommen ist. Es ist ferner vorgesehen, dass die Exzenterwelle 23, 24 in axialer Richtung mehrteilig ausgestaltet ist. Im Wesentlichen kann die einen ersten axialen Abschnitt 231 und mindestens einen zweiten Abschnitt 232, vorzugsweise lediglich einen zweiten Abschnitt 232, aufweisen. Die Exzenterwelle kann diesbezüglich auch als gebaute Exzenterwelle angesprochen werden. Das Gehäuse des Radialkolbenverdichters kann aus dem Antriebsgehäuse 11, dem Verdichtergehäuse 25 und dem Verdichtergehäusedeckel 26 gebildet werden. Wie in Fig. 6 gezeigt, reicht das Verdichtergehäuse 25 in dieser Ausgestaltung des Radialkolbenverdichters bis zu dessen Außenfläche bzw. Außenmantelfläche. In der Fig. 6 ist zudem erkennbar, dass eine axiale Führung der Exzenterwelle durch einen Sicherungsring 30 erfolgt. Daraus ergibt sich vorteilhaft, dass die Lager keine axialen Kräfte aufnehmen müssen.
In der Fig. 7 ist ein erfindungsgemäßer Radialkolbenverdichter in einer geschnittenen Draufsicht dargestellt, insbesondere zur Verdeutlichung der Anordnung einer Mehrzahl von, in diesem Falle sechs, Kolben-Arbeitsraum-Kombinationen 21, 22. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Kolben-Arbeitsraum-Kombination mit den Bezugszeichen 21, 22 versehen.
Der erfindungsgemäße Radialkolbenverdichter kann sich ferner durch folgende Merkmale auszeichnen.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Lager 3, 4, 5 als Gleit- oder Wälzlager, insbesondere als Zylinderrollenlager oder Kugellager, ausgestaltet sind.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass eines der Lager 3, 4, 5 als Axiallager ausgestaltet ist.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Lager 3, 4, 5 im Gehäuse 11, 25, 26 mittels Pressung aufgenommen sind.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass eine axiale Führung der Exzenterwelle durch einen Sicherungsring 30erfolgen kann. Die Lager 3, 4 und 5 müssen somit keine axialen Kräfte aufnehmen.

Claims

Ansprüche
1. Radialkolbenverdichter, umfassend
- eine Verdichtereinheit (2) und eine Antriebseinrichtung (1) zum Antrieb der Verdichtereinheit (2), wobei
- die Verdichtereinheit (2) mindestens eine, vorzugsweise eine Mehrzahl von Kolben- Arbeitsraum-Kombinationen (21, 22) umfasst, die radial um eine Exzenterwelle (23, 24) angeordnet sind, wobei
- jede Kolben-Arbeitsraum-Kombination (21, 22) einen Arbeitsraum (21) mit einem darin verschiebbar aufgenommenen Kolben (22) umfasst, wobei der Kolben (22) durch die Exzenterwelle (23, 24) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (23, 24) durch mindestens drei Lager, vorzugsweise drei Lager (3, 4, 5), in dem Radialkolbenverdichter drehbar gelagert ist.
2. Radialkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkolbenverdichter ein Antriebsgehäuse (11), ein Verdichtergehäuse (25) und einen Verdichtergehäusedeckel (26) umfasst.
3. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (3) in dem Verdichtergehäusedeckel (26), das zweite Lager (4) in dem Verdichtergehäuse (25) und das dritte Lager (5) in dem Antriebsgehäuse (11) aufgenommen ist.
4. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (3) und das zweite Lager (4) in dem Verdichtergehäuse (25) und das dritte Lager (5) in dem Antriebsgehäuse (11) aufgenommen ist.
5. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (23) aufgrund der drei Lagerstellen (3, 4, 5) und deren Anordnung einen Schwingungsknoten (S) aufweist, wobei dieser Schwingungsknoten (S) in seiner axialen Lage nahe am Ort einer Lasteinleitung (0) angeordnet ist.
6. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (3, 4, 5) als Gleit- oder Wälzlager, insbesondere als Zylinderrollenlager oder Kugellager, ausgestaltet sind. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Lager (3, 4 oder 5) als Axiallager ausgestaltet ist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (3, 4, 5) im Gehäuse mittels Pressung aufgenommen sind. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Führung der Exzenterwelle durch einen Sicherungsring (30) erfolgt.
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