CH647580A5

CH647580A5 - Verdraengermaschine nach dem spiralprinzip.

Info

Publication number: CH647580A5
Application number: CH5225/80A
Authority: CH
Inventors: Berthold Fischer; Hans-Peter Dr Kabelitz; Andreas Schmitz
Original assignee: Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1980-07-08
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE2927690C2; JPS5618090A; DE2927690A1; FR2461133B1; US4371323A; GB2054045A; JPH0143157B2; FR2461133A1; GB2054045B

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit zwei Verdrängerelementen, die relativ zueinander in eine translatorische Kreisbewegung versetzbar sind.

Verdichter, Vakuumpumpen und andere Verdrängermaschinen nach dem Spiralprinzip sind seit längerem bekannt (vgl. z. B. DE-AS 2225327 und DE-OS 2603462). Der Verdrängervorgang wird durch zwei Verdrängerelemente bewirkt, die meist in ähnlicher Weise aus einer Grundplatte mit aufgesetzten, spiralförmigen Wänden oder Ausnehmungen bestehen. Dabei greifen die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen beider Verdrängerelemente axial ineinander. Durcheine meist kreisförmige, aber rein translatorische Relativbewegung (Parallelführung) der beiden Verdrängerelemente wandern die Kontaktpunkte zwischen den spiralförmigen Wänden bzw. Ausnehmungen einsinnig, so dass je nach Drehsinn der Relativbewegung die Kontaktpunkte entweder radienmässig von aussen nach innen oder von innen nach aussen wandern. Der Antrieb bzw. Abtrieb derartiger Verdrängermaschinen kann bekanntlich auf zwei Wegen erfolgen. Man kann ein Verdrängerelement festhalten, dann wird das zweite Element über einen Exzentertrieb, meist Kreiskurbeltrieb , in die gewünschte meist kreisförmige Relativb ewe-gung versetzt. Der zweite Weg besteht, sofern eine kreisförmige Relativbewegungangestrebtwird, darin, beide Verdrängerelemente drehbar zu lagern, wobei die Drehachsen um die gewünschte Exzentrizität versetzt sind. Sobald die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen sich über einen Umfangswinkel von wenigstens 2 it erstrecken, besteht ständig in wenigstens einem Punkt der radiale Kontakt zwischen den spiralförmigen Elementen. Sobald die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen sich wenigstens über eine doppelte Umschlingung (Umfangswinkel 4 Jt) erstrecken, bestehen ständig mindestens zwei radiale Kontaktpunkte. Im letztgenannten Falle bilden sich zwischen zwei Kontaktpunkten sichelförmige Hohlräume, in denen ein Fluid infolge der oben erwähnten Relativbewegung einsinnig gefördert werden kann.

Der einsinnig ablaufende Fördervorgang mit geringen Relativgeschwindigkeiten der Verdrängerelemente, wobei bestimmte Flächenbereiche der sprialförmigen Wände uns Ausnehmungen stets nur dem Ansaug- oder dem Ausschubbereich zugeordnet sind, lässt den Einsatz von Pumpen und Verdichtern nach dem Spiralprinzip stets dort attraktiv erscheinen, wo hohe Verdichtungsverhältnisse ohne oder bei schwacher Schmierung erreicht werden sollen. Ölfrei arbeitende Verdrängermaschinen sind aus Service-Betriebskosten- und Umweltschutzgründen vorzuziehen. Es gibt auch Fälle, wo Öl nicht nur unerwünscht, sondern unzulässig ist, z. B. wegen Explosionsgefahr.

Es zeigt sich allerdings, dass die theoretisch erreichbaren hohen Verdichtungsverhältnisse und die einfache Arbeitsweise praktisch nur schwer zu realisieren sind, weil eine sichere und

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präzise Abwälzung und Abdichtung in den radialen Kontaktpunkten zwischen den spiralförmigen Wänden und Ausnehmungen nicht einfach zu bewerkstelligen ist. Wenn aber sauberes zwangfreies Abwälzen in den Kontaktpunkten nicht gewährleistet ist, treten als Folgeerscheinungen erhöhter Verschleiss sowie lokale Erhitzungen an den spiralförmigen Konturen und im Gefolge damit Kaltverschweissungen und Festlaufen der Lager auf.

Die Hauptursachen eines nicht ausreichend sauberen und zwangfreien Abwälzens in den Kontaktpunkten sind zu suchen in a) nicht ausreichender Parallelführung der beiden Verdrängerelemente,

b) unzureichender Fertigungsgenauigkeit der spiralförmigen Konturen und c) thermisch bedingter Konturabweichung bzw. Spielaufzehrung an den spiralförmigen Konturen bzw. in den Kontaktpunkten.

Bekannte Lösungen der erwähnten Probleme bestehen u. a. in hochgenauen, justierbaren Kurbeltrieben als Parallelführung, hochgenaue Fertigung der spiralförmigen Konturen in klimatisierten Räumen, Thermostatisierung der Verdrängerelemente durch einen ausgefeilten Kühlölumlauf und dergleichen (vgl. z.B. DE-AS 2226 327). Die ausgeführten Lösungen erfordern jedoch einen vielfach höheren Aufwand an Fertigungskosten als bei Pumpen und Verdichtern in ölüberlagerter Bauweise, z. B. Drehschieber-Vakuumpumpen u. ä. Daher haben sich Spiralver-drängermaschinen bisher nur dort durchsetzen können, wo mangels Alternativlösungen die hohen Kosten in Kauf genommen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine (Verdichter, Vakuumpumpe od. dgl.) nach dem Spiralprinzip mit zwei Verdrängerelementen, die relativ zueinander in eine translatorische Kreisbewegung versetzbar sind, zu schaffen, bei der die gewünschte Bewegung der Verdrängerelemente relativ zueinander in einfacher Weise sichergestellt ist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Sicherung der verdrehstarren Relativbewegung zwei etwa senkrecht zueinander angeordnete Führungen vorgesehen sind, von denen mindestens eine als Parallelogrammführung ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Parallelogrammführungen von Blattfederpaaren gebildet werden.

Bei einer Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit diesen Merkmalen sind die Verdrängerelemente relativ zueinander völlig spielfrei geführt. Wenn die beiden Verdrängerelemente einander berühren, dann besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die erfindungsgemässe Führung Form- und Massdifferenzen, die durch Fertigungstoleranzen, Montageungenauig-keiten oder thermische Dehnungen hervorgerufen werden, auszugleichen imstande ist. Insgesamt kann dadurch eine erfindungsgemäss ausgebildete Verdrängermaschine erheblich kostengünstiger hergestellt werden, da die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen erheblich gesenkt werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 weitgehend schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Es zeigen:

Figuren I und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips und

Figur 3 einen Schnitt durch eine Verdrängermaschine nach der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein kreisrundes Gehäuse 1 einer Verdrängermaschine. In dieses Gehäuse ist zentral eine Antriebswelle 2 mit einer Drehachse 3 hereingeführt (s. a. Figur 3). An ihrem im Gehäuse 1 befindlichen Ende trägt die Welle 2 einen Kurbelantrieb 4, der das Verdrängerelement 5, in Figur 1 nur durch einen gestrichelten Kreis angedeutet, in eine kreisende Drehung versetzt. Zur Sicherung einer völlig verdrehstarren translatorischen

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Relativbewegung sind beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zwei etwa senkrecht zueinander angeordnete Parallelogrammarme 6 und 7 vorgesehen. Dazu ist am Gehäuse 1 ein Sockel 8 befestigt, an dem zwei Parallelogrammarmteile 9 und 10 mit ihren einen Enden um parallel zur Achse 3 liegende Achsen schwenkbar angelenkt sind. Mit ihren anderen Enden sind sie an einem Koppelelement 11 schwenkbar angelenkt, und zwar ebenfalls um zur Achse 3 parallel liegende Achsen. Der Parallelogrammarm 7 weist ebenfalls zwei Parallelogrammarmteile 12 und 13 auf, die etwa senkrecht zum Parallelogrammarm 6 angeordnet sind und mit ihren einen Enden am Koppelelement 11 und mit ihren anderen Enden an einem Sockel 14 angelenkt sind, und zwar wieder derart, dass sie um parallel zur Achse 3 liegende Achsen schwenkbar sind. Der Sockel 14 ist fest mit der Verdrängerscheibe verbunden. Infolge dieser Parallelogrammführung ist die Verdrängerscheibe 5 relativ zum Gehäuse 1 verdrehstarr geführt, und zwar in einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse 4 (und zu den Parallelogrammarm-Achsen) liegt.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 zeigt eine Parallelogrammführung, bei der zwei Blattfederpaare 16 und 17 bzw. 18 und 19 die gewünschte Führung bewirken. Dazu ist das Blattfederpaar 16,17 über Sockel 20 und 21 an einer Scheibe 22 befestigt, die ein erstes, der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestelltes Verdrängerelementträgt. Mit ihren freien Enden sind die Blattfedern 16 und 17 an einem quadratischen Rahmen 23 befestigt, und zwar über die Sockel 24 und 25. Etwa senkrecht zu den Blattfedern 16 und 17 sind die Blattfedern 18 und 19 angeordnet, die über die Sockel 26 und 27 mit dem Rahmen 23 und über die Sockel 28 und 29 mit dem zweiten ebenfalls der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Verdrängerelement fest verbunden sind. Die Blattfedern 16 bis 19 sind jeweils seitlich ausserhalb des Rahmens 23 angeordnet, wodurch sich eine kurze Bauweise ergibt. Ihre Längsachsen und ihre Federwege liegen parallel zur Ebene der gewünschten translatorischen Kreisbewegung.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 zeigt eine Verdrängermaschine mit einer parallelogrammführung der in Figur 2 dargestellten Art. Das erste, feststehende Verdrängerelement wird vom Gehäuse 1 selbst gebildet und weist die etwa spiralförmigen Vorsprünge 31 auf. Relativ dazu führt das Verdrängerelement 5 mit den Vorsprüngen 32 eine translatorische Kreisbewegung aus, und zwar angetrieben von der Kurbel 4. Diese Bewegung bewirkt die gewünschte Förderung des Mediums von einem der beiden Stutzen 33 bzw. 34 zum jeweils anderen (je nach Drehrichtung). Die Kurbel 4 ist im kreisenden Verdrängerelement 5 elastisch gelagert, so dass allein dadurch bereits Form- und Massdifferenzen infolge zu hoher Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Zusätzlich ist in Höhe der Kurbel 4 die Parallelogrammführung nach Figur 2 vorgesehen. Sichtbar davon sind die Sockel 20 und 21 gestrichelt, über die die Blattfedern 16 und 17 mit dem Gehäuse 1, also mit dem ruhenden Verdrängerelement, verbunden sind. Die Sockel 24 und 25 stellen die Verbindung der Blattfedern 16 und 17 mit dem Rahmen 23 her. Schliesslich ist noch der Sockel 28 sichtbar, der die Blattfeder 19 mit dem kreisenden Verdrängerelement 5 verbindet.

Die elastische Lagerung der Kurbel 4 im kreisenden Verdrängerelement 5 ist mit Hilfe eines elastischen Ringes 36 realisiert, der die Lagerhülse 37 umgibt. Anstelle dieser abtriebsseitigen elastischen Lagerung kann die Kurbel auch antriebsseitig elastisch im Gehäuse 1 gelagert sein.

Bei jeder Kreisbewegung des kreisenden Verdrängerelementes 5 führen die Blattfedern ein Lastspiel aus. Die Länge der Blattfedern und/oder ihr Werkstoff müssen so gewählt sein, dass die durch die Lastspiele auftretenden Biegebeanspruchungen weit unter der Dauerfestigkeit der Federn liegen. Zusätzlich können die Federn in geeigneter Weise derart vorgespannt sein, dass die dadurch bewirkte Vorspannkraft ständig durch den oder die Kontaktpunkte zwischen den beiden Vorsprüngen 31 und 32

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weist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Vorsprünge stets ihren Kontakt behalten. Anderenfalls besteht unter bestimmten Umständen die Gefahr, dass die Verdichtungsverhältnisse sich erheblich verschlechtern.

Die erfmdungsgemässen Mittel zur Führung der beiden Ver- s drängerelemente können sowohl bei Verdrängermaschinen mit einem ruhenden und einem kreisenden Verdrängerelement als auch bei Verdrängermaschinen mit zwei drehbar gelagerten Verdrängerelementen eingesetzt werden. Im ersten Falle führt z.B. der Rahmen 23 nur eine translatorische Bewegung aus. Im zweiten Falle führt der Rahmen ebenfalls eine rotierende Bewegung aus.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

647 580 PATENTANSPRÜCHE

1. Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit zwei Verdrängerelementen , die relativ zueinander in eine translatorische Kreisbewegung versetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung der verdrehstarren Relativbewegung zwei etwa senkrecht zueinander angeordnete Führungen (6; 7; 16,17; 18, 19) vorgesehen sind, von denen mindestens eine als Parallelogrammführung (6; 16,17) ausgebildet ist.

2. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelogrammführungen von Blattfederpaaren (16,17; 18,19) gebildet sind.

3. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, mit einem fest in einem Gehäuse angeordneten Verdrängerelement und einem relativ dazu in eine translatorische Kreisbewegung versetzbaren weiteren Verdrängerelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Parallelogrammführung (6; 16,17) mit ihrem einen Ende über Sockel (8; 20,21) am Gehäuse (1) oder am ruhenden Verdrängerelement derart befestigt ist, dass der Weg des anderen Endes der Parallelogrammführung parallel zur Ebene der Kreisbewegung liegt, dass dieses andere Ende der ersten Parallelogrammführung (6; 16,17) über ein Koppelelement (11) bzw. einen Rahmen (23) mit dem einen Ende einer etwa senkrecht zur ersten Parallelogrammführung angeordneten weiteren Parallelogrammführung (7; 18,19) derart verbunden ist, dass der Weg des anderen Endes dieser weiteren Führung ebenfalls zur Ebene der Kreisbewegung liegt und dass dieses andere Ende der zweiten Parallelogrammführung über Sockel (14; 28,29) mit dem kreisenden Verdrängerelement (5) verbunden ist.

4. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 1 oder 2 mit zwei rotierenden, relativ zueinander eine translatorische Kreisbewegung ausführenden Verdrängerelementen, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Parallelogrammführung (6; 16,17) mit ihrem einen Ende über Sockel (8; 20,21) an einem der Verdrängerelemente derart befestigt ist, dass der Weg ihres anderen Endes parallel zur Ebene der Kreisbewegung liegt, dass dieses andere Ende der ersten Parallelogrammführung (6; 16,17) über ein Koppelelement (11) bzw. einenRahmen (23) mitdem einen Ende einer weiteren, etwa senkrecht zur ersten Führung angeordneten weiteren Parallelogrammführung (7; 18,19) derart verbunden ist, dass der Weg des anderen Endes der weiteren Führung ebenfalls parallel zur Ebene der Kreisbewegung liegt, und dass das andere Ende der weiteren Führung über Sockel (14; 28, 29) mit dem anderen Verdrängerelement verbunden ist.

5. Verdrängermaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Blattfederpaare (16,17 und 18,19) als Parallelogrammführungen vorgesehen sind.

6. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesondertes Koppelelement (11,23) zur Verbindung der ersten Parallelogrammführung mit der zweiten Parallelogrammführung vorgesehen ist.

7. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement ein viereckiger, vorzugsweise quadratischer Rahmen (23) ist.

8. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Parallelogrammführungen bildenden Blattfederpaare (16,17 und 18,19) seitlich ausserhalb des Rahmens (23) angeordnet sind.

9. Verdrängermaschine nach einem der Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen in Höhe der Vorsprünge (31,32) der Verdrängerelemente angeordnet ist und diese umgibt.

10. Verdrängermaschine nach einem der Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen in Höhe eines Kurbelantriebes (4) für das kreisende Verdrängerelement (5) angeordnet ist und diesen umgibt.

11. Verdrängermaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eines der beiden Verdrängerelemente eine elastische Aufhängung (36) vorgesehen ist.

12. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 11 mit einem Kurbelantrieb für die kreisende Scheibe, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelantrieb (4) antriebsseitig und/oder abtriebs-seitig elastisch gelagert ist.

13. Verdrängermaschine nach Patentanspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Lager des einen oder beider Verdrängerelemente elastisch gelagert sind.

14. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden ' Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Blattfedern derart vorgespannt sind, dass die davon auf die Verdrängerelemente ausgeübte Kraft einen ständigen Kontakt der Vorsprünge (31, 32) der Verdrängerelemente sicherstellt.