NO875298L - Roterende deplasementsmaskin for et kompressibelt arbeidsfluidum. - Google Patents

Description

Roterende deplasementsmaskin for et kompressibelt arbeidsfluidum.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en roterende deplasementsmaskin for et kompressibelt arbeidsfluidum, med inngrep mellom to samvirkende elementer. Maskinen er i første omgang beregnet for anvendelse som kompressor eller vakuum-pumpe, men kan også anvendes som ekspander eller måleanord-ni ng .

Hittil har slike maskiner hovedsakelig vært av to forskjellige typer.

Den første typen er skruerotormaskiner, som omfatter to ro-torer med forskjellige profiler i utvendig inngrep med hverandre. Rotorene er innelukket i et hus og er roterbare i motsatt retning om parallelle akser. Et eksempel på en slik maskin er vist i US patent nr. 3 423 017. I denne type maskin står ett spor i hver rotor i forbindelse med hverandre og danner et lukket, V-formet kammer som er begrenset av tilsluttende deler av husets sidevegg og høy-trykkssidens endevegg. Volumet av dette lukkede kammer varierer når rotoren roterer. Da toppene på rotorenes kammer normalt ikke møtes på skjæringslinjen mellom husboring-ene, dannes det et blåsehull, dvs. en lekkasjeåpning mellom kammeret og det umiddelbart påfølgende V-formede kammer. Videre er det alltid en viss klaring mellom rotorenes endeflater og endeveggen av husets høytrykksside, noe som resulterer i en viss lekkasje fra maskinens høytrykksfase til dens lavtrykksfase fordi en del av endeveggen på høy-trykkssiden alltid samvirker med rotorspor som står i forbindelse med maskinens lavtrykkskanal.

Den andre av disse typer er den såkalte Scroll-kompressoren, som omfatter to elementer som hvert oppviser et spiralorgan som strekker seg aksialt fra en plan skive. Eksempler på slike maskiner er vist i US patenter 4 259 043 og 4 395 205. Et første element i maskinen holdes stasjonært, mens det andre element hindres i å rotere samtidig med at dets sen tralakse kretser rundt det første elements sentralakse. Spiralorganene er slik dimensjonert at de samvirker alter-nerende på den ene og den andre side for å danne lukkede lommer mellom seg. Disse lommer er ytterligere avtettet mot hverandre ved hjelp av aksialt bevegelige tetningslis-ter som er anordnet i spor i spiralelementene for å samar-beide med den andre skives plane flate, noe som uunngåelig resulterer i en viss lekkasje langs tetningslistene, dels mellom de steder av toppene som ikke har spor og skiven,

og dels mellom listen og sporets vegger. Maskinen krever dessuten anordninger for nøyaktig styring av det andre bevegelige element, aksiallagre for å opprettholde en liten klaring mellom elementene, samt anordninger for å omdanne drivakselens rotasjon til en kretsende bevegelse av det bevegelige element.

tr

Slik det er vist i US patent nr. 2 733 8^4, har det videre vært foreslått å utføre en kompressor med to tettende, samvirkende koniske elementer med sammenfallende konspisser, hvilke elementer inngriper med hverandre internt og beskriver en hyposyklisk bevegelse om det felles punkt for kone-nes spisser, med et hastighetsforhold på 2 til 1. Den viste og patenterte maskin er begrenset til en type hvor i det minste det indre element, som er utført som en spi-ralvridd stang, er fremstilt ved støping og utformet slik at det bibeholder sin form uavhengig av eventuell krymp-ning. Det betyr at alle disse dimensjoner må være direkte proporsjonale med avstanden fra konspissen. Spiralens aksiale stigning er derfor proporsjonal med avstanden fra konspissen, mens stigningsvinkelen er konstant. Imidlertid medfører denne utformning en fundamental ulempe i og med at den varierende aksiale stigning gjør det umulig å innføre det indre element i det ytre uten deformasjon av minst det ene av disse. Ytterelementet i den foreslåtte maskin er og må av denne grunn være fremstilt av elastisk materiale. Det betyr at når maskinen er i drift og trykket stiger, deformeres uunngåelig det ytre element, noe som for det første fører til øket lekkasje mellom de to elementer og for det andre fører til en øket kontaktkraft med påfølgende økning av friksjonskreftene på den motstående side. Med andre ord vil den volumetrdske virkningsgrad minske samtidig med at de mekaniske tap øker, noe som resulterer i en så stor minskning av den totale virkningsgrad at maskinen 1 praksis blir ubrukelig.

En lignende type maskin er vist i DE-OS 2 736 590. Denne maskin, som er beregnet for høyviskøse væsker, er enda mere spesialisert fordi det indre element er utformet som en konisk spiral som er viklet av en sirkulær stang med konstant tverrsnitt, mens sentrum av sirkelen i ethvert aksialplan er anbragt på elementets delesirkel. Imidlertid er også denne maskin forsynt med et ytre element som er fremstilt av elastisk materiale og har således de samme ulemper som den maskin som er vist i US patent nr. 2 733 854.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en maskin av en lignende type som den som er vist i US-patent nr. 2 733 8^4 og kom-binerer de fordelaktige egenskaper av en konvensjonell skruerotormaskin med utvendige inngrep og Scroll-kornpressor-en, samtidig som de uheldige egenskaper ved de forskjellige typer er eliminert.

Den nye maskin er således en roterende deplasementsmaskin

av hyposyklisk, konisk type for et kompressibelt arbeidsfluidum, omfattende et ytre og et indre element som er forsynt med i hverandre inngripende spiralformede spor og mellomliggende kammer, idet antall spor i det ytre element er større enn i det indre element med en forskjell på én og omslutningsvinkelen av hvert spor i det ytre element overstiger 360°, hvilke spor og kammer danner kontinuerlige tetningslinjer for å definere lukkede kamre mellom på hverandre følgende tetningslinjer, hvor nevnte elementer ruller mot hverandre langs delingskoner med sammenfallende spisser, hvor i det minste ett av nevnte elementer er roterbart om sin sentralakse og minst ett er anordnet for kretsende svingebevegelse om punktene for delings-konenes spisser, og hvor det indre elements omskrevne

omhyllingsflate utgjøres av en avkortet kon, og hvor det ytre element har form av en hylse med en innskrevet omhyllingskurve som utgjør en avkortet kon og som med åpne ender danner lavtrykks- og høytrykksåpninger for kommunikasjon med stasjonære lavtrykks- resp. høytrykkskanaler.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en praktisk anvendbar maskin for et kompressibelt arbeidsfluidum av angitte type.

Dette er oppnådd ved at en maskin av nevnte type er slik utformet at sporenes radiale dybde varierer aksialt langs elementene og i hvert tversgående plan er lik det dobbelte av eksentrisiteten av elementenes akser, og at spiralenes stigningsvinkel ved delingskonen varierer kontinuerlig i aksial retning.

På grunn av det trekk at den radiale dybde varierer på angitte måte tilveiebringes optimale driftsforhold for en maskin av den angitte type som arbeider som kompressor eller ekspander, og på grunn av den kontinuerlig varierende stigningsvinkel oppnås en hovedsakelig konstant aksial avstand mellom kammene, noe som muliggjør en problemfri sammenmontering av de to elementer. Takket være disse spesielle trekk har det blitt mulig å fremstille den nye maskin på en praktisk måte og samtidig kombinere fordelene av de innledningsvis nevnte maskintyper.

Ved hjelp av den nye maskin er det mulig fullstendig å eliminere blåsehullet og høytrykksendelekkasjen i skruekom-pressoren, så vel som tetningslistene og styreanordningene for det andre element av Scroll-kompressoren, samtidig med at lagrene kan være mye enklere enn i denne maskin. Videre har den nye maskin fordelen av å være meget kompakt og ha en sirkulær ytre form med en meget liten diameter, noe som gjør den meget velegnet for installasjon i trange rom.

Oppfinnelsen skal beskrives i større detalj i forbindelse med en utførelsesform som kompressor, som er vist på ved-

føyede tegninger.

Fig. 1 viser et snitt gjennom en hermetisk lukket kjølekom-pressor,

Fig. 2 viser en detalj av fig. 1 i større målestokk,

Fig. 3 viser et snitt langs linjen 3-3 på fig. 2,

Fig. 4 viser et annet snitt langs linjen 4-4 på fig. 2,

Fig. 5A-5F viser de to elementer i forskjellige vinkelstil-linger, og Fig. 6 viser i diagramform kompressorens volumetriske kapa-sitet som funksjon av dreiningsvinkelen.

Kompressoren vist på fig. 1 omfatter en elektromotor med en stator 10 og en rotor 12, som er roterbart anordnet i statoren ved hjelp av et åk 14 som bærer rotorlagrene 16

og 18. Motoren er innkapslet ved hjelp av et hermetisk tett omgivende deksel 20 og er fjærende understøttet i dette ved hjelp av et antall fjærorganer 22.

Rotorakselen er forsynt med et aksialt gjennomgående hull 24. I dette hull er det anordnet en kompressor som omfatter to, med internt inngrep samvirkende elementer 26, 28. Det ytre element har form av en stumpkonisk hylse, som er ko-aksial med rotoren 12 og aksialt, radialt og ikke-dreibart festet til denne. Den store ende av den koniske hylse 26

er videre tettende forbundet med rotoren 12 ved hjelp av en pakning 30. Kompressorens indre element 28 har form av en avkortet kon, som er aksialt og ikke-dreibart festet til statoren 10 ved hjelp av en bøyelig stang 32, som er sentrisk festet i det indre element 28.

Slik det er nærmere vist på fig. 2-5, er den koniske hylse som danner det ytre element 26 forsynt med fem i spiralform forløpende spor 34 og samvirkende kammer 36 som har kon-.

tinuerlig varierende stigningsvinkler på sin indre flate.

På grunn av den koniske form resulterer de kontinuerlig varierende stigningsvinkler i en konstant aksial stigning. Konusen som danner det indre element 28 er på sin ytter-flate forsynt med fire i spiralform forløpende spor 38

med mellomliggende kammer 40, idet sporene 38 og kammene 40 står i inngrep med kammene 36 og sporene 34 på det ytre element 26 og samvirker tettende med disses flanker for å danne kontinuerlige tetningslinjer mellom disse. I hvert aksialplan beskriver det indre element 28 således en bevegelse av hyposyklisk type i forhold til det ytre element 26, dvs. at i hvert plan oppviser de to elementer 26, 28 delesirkler som ruller mot hverandre, hvilket betyr at de to elementer 26, 28 har delingskoner eller grunnkjegler,

42, 44 som ruller mot hverandre. Disse grunnkjegler har sine spisser liggende i et felles punkt 46. Sentralakselen 48 for det ytre elements 26 grunnkjegle 42 og sentralakselen 50 for det indre elements 28 grunnkjegle 44 danner en konstant vinkel £ med hverandre. Da de to grunnkjegler 42, 44 ruller mot hverandre, vil det indre element 28 således bevege seg som en konisk pendel om det felles punkt 46 i forhold til det ytre element 26.

Det ytre elements 26 storende er åpen og utgjør en lav-trykksåpning 52 for kommunikasjon med en stasjonær lavtrykkskanal 54, som strekker seg ut gjennom det omgivende husets 20 vegg via en ledning 56 som strekker seg aksialt gjennom rotorlageret 16, og via en bøyelig ledning 58. Den lille ende av det ytre element er også åpen og utgjør en høytrykksåpning 60 som står i forbindelse med en stasjonær høytrykkskanal 62 som strekker seg gjennom det omgivende hus 20, via en radial passasje 64 fra hullet 24 i rotoren 12 og via det frie rom på innsiden av dekselet 20.

Slik det er vist på fig. 5A-5F, virker kompressoren 26, 28 på følgende måte. Når det ytre element 26 roteres om sitt sentrum 48 av rotoren 12, inngriper det med det ikke-roterbare indre element 28. Sentrum 50 av det indre element 28 vil da kretse i samme retning i en sirkulær bane 48 om det ytre element 26 og med en vinkelhastighet som er fem ganger så stor som vinkelhastigheten av det ytre element 26, dvs. at hastighetsforholdet er det samme som antall spor 34 i det ytre element 26.

På fig. 5A er en av det indre elements 28 kammer 40' i fullt inngrep med et av det ytre elements spor 34' , hvilket betyr at det indre elements 28 sentrum 50 ligger på en ra-dius trukket fra det ytre elements 26 sentrum 48 til inngrepspunktet mellom sporets 34' bunn og kammens 40' topp. Når det ytre element 26 dreier seg fra denne stilling, tvinges det indre elements sentrum 50 til å bevege seg i samme retning om det ytre elements sentrum 48, idet et kammer 66, som omfatter et parti av sporet 34' i det ytre element 26 og et parti av sporet 38, som ligger mellom kammene 40' og 40" på det indre element 28, åpner seg mot innløpsåpningen 52, samtidig med at inngrepet mellom sporet 34' og kammen 40' beveger seg aksialt innad i de to elementer 26 og 28. På denne måte suges et visst volum arbeidsfluidum med lavt trykk inn i kammeret 66.

På fig. 5B har rotasjonsvinkelen i forhold til utgangsstil-lingen definert i forbindelse med fig. 5A, nådd verdien oC , mens senteret 50 av det indre element 28 samtidig har kretset en vinkel ^ på 90° rundt sentrum 48 av det ytre element 26, som også er den vinkel som inngrepet mellom sporet 34' og kammen 40' har dreiet seg om det indre elements sentralakse 48 under sin aksiale bevegelse innad i de to elementer 26, 28.

Fig. 5C-5F viser forskjellige relative stillinger for elementene 26, 28 når rotasjonen fortsetter. Slik det fremgår av disse figurer, øker åpningens areal kontinuerlig under rotasjonens første fase, for deretter igjen å minske til null i den stilling som er vist på fig. 5F, hvor vinklene og {3 er hhv. 90 og 450 og kammen 40" på det indre element 28 er i fullt inngrep med sporet 34' i det ytre element 26. I denne stilling er kammeret 66 stengt av fra lavtrykksporten 52. Fra denne stilling er kammeret .66 fullstendig lukket og minsker kontinuerlig i volum til det tidspunkt hvor elementenes 26, 28 aksialt foranløpende inngrep når høytrykksåpningen og arbeidsfluidet som er innestengt og komprimert i kammeret presses ut gjennom høytrykksåpningen 60.

På fig. 6 vises i diagramform kammerets 66 volum V som funksjon av vinkelen , som er det ytre elements 26 drei-ningsvinkel, dvs. P - 0( , i hvilken kammerets 66 aksialt foranløpende inngrep ligger. Vinkelen ^fc angir den vinkel hvor kammeret 66 stenges fra lavtrykksåpningen 52, mens vinkelen ^& angir hvor det åpnes mot høytrykksåpningen 60. Slik det fremgår av diagrammet, har kammerets 60 volum et maksimum foran vinkelen ^ c. hvor det stenges, hvilket beror på at elementene 26, 28 er koniske og at tverrsnittet av elementenes spor 34, 38 minsker i aksial retning, hvilket best fremgår av fig. 3 og 4. Volumøkningen ved det aksialt foranløpende inngrep som begrenser kammeret 66, er således mindre enn volumminskningen ved dets etterløpende inngrep. Vinkelen v<->f^beror kun på formen av elementenes 26, 28 tverrsnittsprofiler, og er alltid omtrent 360°, mens vinkelen ^-fo beror på elementenes 26, 28 aksiale lengde og kan velges slik at forholdet VC/VQtilpasses det aktuelle trykkforhold som fordres.

For å sikre god drivkontakt mellom elementene 26, 28 ved direkte flankekontakt, er det ønskelig at kontakten tilveiebringes på grunnkjeglene, der det ikke forekommer noen glidningsbevegelse mellom de to kontaktflanker. Av denne

■ grunn er det ønskelig at de ytre og indre elementers 26, 28 spor 34, 38 skjærer den respektive grunnkjegle 42 og 44

i det minste ved elementenes 26, 28 lille ender, noe som kan oppnås ved å utforme elementene 26, 28 slik at deres omhyllingsflater har en konvinkel som er noe større enn tilsvarende vinkel av den respektive grunnkjegle 42, 44.

For å begrense de dynamiske krefter, er det viktig å holde avstanden mellom elementenes 26, 28 sentralakser 48, 50

på en lav verdi og å minske det kretsende elements 28 masse

så mye som mulig. I den viste utførelsesform er vinkelen mellom grunnkjeglenes 42, 44 sentralakser 48, 50 kun ca. 1°, og elementene 26, 28 er formpresset av et lett plast-materiale. I et kjøleapparat av den på fig. 1 viste type som er beregnet for et husholdningskjøleskap, er apparatets dimensjoner slik at kompressorelementenes 26, 28 lengde er ca. 60 mm, hvilket resulterer i en gjennomsnitt-lig eksentrisitet mellom sentralaksene 48, 50 på ca. 1 mm og en masse av det indre element på ca. 3 gram, noe som utgjør ca. en promille av elektromotorens masse. De uba-lanserte dynamiske krefter blir således så små sammenlignet med apparatets totale masse at de fullstendig kan igno-reres .

For å tilveiebringe et lavt trykkforhold og således en liten lekkasje fra et kammer 66 som inneholder komprimert arbeidsfluidum til det påfølgende kammer, er det fordelaktig å øke antall spor 34, 38 og kammer 36, 40 i de to i hverandre inngripende elementer 26, 28. Dette er også fordelaktig av hensyn til strømningsforholdene i lavtrykks-

og høytrykksåpningene 52, 60. Det er således fordelaktig å forsyne også det indre element 28 med flere spor 38 og kammer 40.

Claims (8)

1. Roterende deplasementsmaskin av hyposyklisk, konisk type for et kompressibelt arbeidsfluidum, omfattende et ytre (26) og et indre (28) element forsynt med i hverandre inngripende spiralformede spor (34, 38) og mellomliggende kammer (36, 40), hvor antall spor (34) i det ytre element (26) er større enn i det indre element (28) med en forskjell på én, og hvor omslutningsvinkelen for hvert spor (34) i det ytre element (26) overstiger 360°, hvilke spor (34, 38) og kammer (36, 40) danner kontinuerlige tetningslinjer for å definere lukkede kamre (66) mellom på hverandre følgende tetningslinjer, hvor nevnte elementer (26, 28) ruller mot hverandre langs delingskoner eller grunnkjegler (42, 44) med sammenfallende spisser (46), hvor i det minste ett (26) av nevnte elementer (26, 28) er roterbart om sin sentralakse (48) og i det minste ett (28) er anordnet for kretsende svingebevegelse om punktet (46) for grunnkjeglenes (42, 44) spisser, og hvor det indre elements (28) omskrevne omhyllingsflate utgjøres av en avkortet kjegle, og det ytre element (26) har form av en hylse med en innskrevet omhyllingskurve som utgjør en avkortet kjegle og er forsynt med åpne ender som danner lavtrykks- og høytrykksåpninger (52, 60) for kommunikasjon med stasjonære, respektive lavtrykks- og høytrykkskanaler (54, 62), karakterisert ved at den radiale dybde av sporene (34, 38) varierer aksialt langs elementene (26, 28) og i ethvert tverrsnittsplan er lik den dobbelte eksentrisitet mellom elementenes (26, 28) sentralakser (48, 50), og at spiralens stigningsvinkel ved grunnkjeglen varierer kontinuerlig i aksial retning.

2. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at det indre element (28) er forsynt med i det minste to spor (38) og mellomliggende kammer (40).

3. Maskin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at profilen av det indre element (28) i et plan vinkelrett på dets sentralakse (50) varierer aksialt og er ulikeformet i hvilke som helst to tilfeldig valgte plan, og er i det minste ved elementets (28) lille ende utformet slik at dets spor (38) skjærer grunnkjeglen (44) .

" 4. Maskin ifølge krav 3, karakterisert ved at toppunktet av omhyllingskurven for det indre element (28) er beliggende innenfor den tilsvarende grunnkjegle (44).

5. Maskin ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at det ytre element (26) er roterbart om sin akse (48), mens det indre element (28) er ikke-roterbart festet til et stasjonært hus (10) men kan fritt utføre svingningsbevegelser om toppunktet (46) av sin grunnkjegle (44).

6. Maskin ifølge krav 5, karakterisert ved at det indre element (28) ved sin lille ende er forsynt med en bøyelig forlengelse (32) som er fast montert på den andre side av toppunktet (46) av dets grunnkjegle (44).

7. Maskin ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at det ytre element (26) er anbragt inne i og koaksialt med rotorakselen av en elektromotor og er festet til denne for rotasjon med denne.

8. Maskin ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at maskinens ene element (26) er plassert inne i og koaksialt med rotorakselen av en elektromotor og er festet til denne for rotasjon sammen med denne, mens det andre element (28) er ikke-roterbart festet til et stasjonært hus (10), men fritt kan utføre kretsebevegel-ser om toppunktet (46) av sin grunnkjegle (44).