DE19910458C2 - Kompressor - Google Patents
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- DE19910458C2 DE19910458C2 DE1999110458 DE19910458A DE19910458C2 DE 19910458 C2 DE19910458 C2 DE 19910458C2 DE 1999110458 DE1999110458 DE 1999110458 DE 19910458 A DE19910458 A DE 19910458A DE 19910458 C2 DE19910458 C2 DE 19910458C2
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- F04C29/005—Means for transmitting movement from the prime mover to driven parts of the pump, e.g. clutches, couplings, transmissions
- F04C29/0057—Means for transmitting movement from the prime mover to driven parts of the pump, e.g. clutches, couplings, transmissions for eccentric movement
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kompressor, umfassend einen Spiralverdichter mit
einem ersten Verdichterkörper und einem zweiten Verdichterkörper, deren in
Form einer Kreisevolvente ausgebildete erste bzw. zweite Spiralrippen so
ineinandergreifen, daß der zweite Verdichterkörper gegenüber dem ersten
Verdichterkörper auf einer Orbitalbahn um eine Mittelachse bewegbar ist,
einen Antrieb für den Spiralverdichter mit einem Antriebsmotor und eine Mit
nehmereinheit, welche einen vom Antriebsmotor angetriebenen und auf einer
Mitnehmerbahn um die Mittelachse umlaufenden Mitnehmer und eine an dem
zweiten Verdichterkörper drehbar gelagerte Mitnehmeraufnahme aufweist,
wobei die Mitnehmeraufnahme in radialer Richtung zur Mittelachse mit einem
radialen Freiheitsgrad gegenüber dem Mitnehmer bewegbar ist, wobei der
zweite Verdichterkörper aufgrund dieses radialen Freiheitsgrades und der wirk
samen Zentrifugalkräfte mit der zweiten Spiralrippe an der ersten Spiralrippe
des ersten Verdichterkörpers anliegend bewegbar ist.
Ein derartiger Kompressor ist beispielsweise aus dem US-Patent 5,295,813
bekannt, wobei die flach ausgebildete Mitnehmerfläche den Nachteil hat, daß
die Gefahr besteht, daß örtliche Überlastungen und/oder Verkantungen auf
treten können, so daß eine derart ausgebildete Mitnehmereinheit verschleiß
anfällig ist.
Ferner ist aus der DE 34 04 222 A1 ein Spiralkompressor bekannt, bei
welchem eine radiale Beweglichkeit des einen Verdichterkörpers zum Teil
durch einen Lagerfreiraum im Bereich der drehbaren Verbindung zwischen der
Mitnehmereinheit und dem Verdichterkörper erreicht wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kompressor der
gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß die Mitnehmereinheit mög
lichst einfach ausgebildet ist, andererseits aber auch möglichst verschleißfrei
arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.
Dadurch, daß die erfindungsgemäße Lösungen so ausgebildet sind, daß der
Mitnehmer eine in einer Richtung quer zur Mittelachse gekrümmte und in
Drehrichtung konvexe Mitnehmerfläche aufweist, daß die Mitnehmeraufnahme
eine der Mitnehmerfläche zugewandte, in Drehrichtung konkave Mitnahme
fläche mit geringerer Krümmung als die Mitnehmerfläche aufweist, auf welche
die Mitnehmerfläche über einen Berührungsbereich durch Kraftbeaufschlagung
einwirkt, und daß die Mitnahmefläche relativ zur Mitnehmerfläche mit einer in
Richtung des radialen Freiheitsgrades verlaufenden Komponente bewegbar ist,
läßt sich der Vorteil erreichen, daß durch das Einwirken einer konvexen Mit
nehmerfläche auf die konkave Mitnahmefläche mit geringerer Krümmung als
die Mitnehmerfläche eine äußerst vorteilhafte flächige Wechselwirkung
zwischen dem Mitnehmer und der Mitnehmeraufnahme erreichbar ist, nämlich
dadurch, daß in dem Berührungsbereich mittig eine sogenannte Hertz'sche
Pressung auftritt und die Kräfte außerhalb der Mitte kontinuierlich abnehmen.
Damit ist eine vorteilhafte und insbesondere verschleißunanfällige Kraftüber
tragung zwischen dem Mitnehmer und der Mitnehmeraufnahme möglich.
Insbesondere ist im Gegensatz zu dem Stand der Technik, welcher mit ebenen
Flächen arbeitet, jegliches Auftreten von Verkantungen oder ein auch soge
nanntes "Kantentragen" vermieden.
Im übrigen hat das Zusammenwirken einer in Drehrichtung konvexen Mitneh
merfläche mit einer in Drehrichtung konkaven Mitnahmefläche den Vorteil, daß
sich Bewegungen in Richtung des radialen Freiheitsgrades besonders einfach
realisieren lassen, da die Mitnahmefläche relativ leicht über die in Drehrichtung
konvexe Mitnehmerfläche in radialer Richtung gleiten kann. Das Ausbilden der
Mitnahmefläche als konkave Fläche ist im Gegensatz zu einer Mitnahmefläche
als ebene Fläche noch insoweit vorteilhaft, als dadurch zusätzlich zu der vor
teilhaften Hertz'schen Pressung über einen möglichst großen Berührungs
bereich auch noch eine geringfügige Bewegungshemmung gegen eine Bewe
gung in Richtung des radialen Freiheitsgrades erreichbar ist.
Besonders vorteilhaft ist es bei der Lösung gemäß Anspruch 1, daß die Mit
nehmerfläche einen Ausschnitt aus einer Zylinderfläche mit elliptischen Quer
schnitt bildet.
Besonders vorteilhaft ist es bei der Lösung gemäß Anspruch 2, daß die Mit
nahmefläche einen Ausschnitt aus einer Zylinderfläche mit elliptischem Quer
schnitt bildet, wobei vorzugsweise der Ausschnitt ebenfalls den Teil der Zylin
derfläche mit der geringsten Krümmung umfaßt.
Prinzipiell wäre es denkbar, daß die Mitnehmeraufnahme relativ zum Mit
nehmer nicht nur durch das Zusammenwirken der Mitnehmerfläche und der
Mitnahmefläche eine Führung erfährt, sondern auch auf der der Mitnehmer
fläche gegenüberliegenden Seite des Mitnehmers eine Führung zwischen Mit
nehmer und Mitnehmeraufnahme erfolgt.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Mitnehmer mit der Mitnehmerauf
nahme nur über den Berührungsbereich in Kontakt steht und im übrigen von
einem sich zwischen dem Mitnehmer und der Mitnehmeraufnahme erstrecken
den Freiraum umgeben ist.
Ein derartiger Freiraum schafft einerseits die Möglichkeit, daß jegliches Ver
kanten bei der Relativbewegung der Mitnehmeraufnahme bezüglich des Mit
nehmers vermieden werden kann, da die beiden lediglich über die Mitnehmer
fläche und die Mitnahmefläche wechselwirken und diese aufgrund ihrer kon
vexen und konkaven Wölbung nicht miteinander verkanten können, während
auf der gegenüberliegenden Seite der Mitnehmerfläche keinerlei Führung
zwischen Mitnehmer und Mitnehmeraufnahme erfolgt.
Darüber hinaus hat ein Freiraum auch noch den weiteren Vorteil, daß damit ein
zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Bewegung der Mitnehmeraufnahme relativ
zum Mitnehmer geschaffen ist, der nicht zwingend auf den radialen Freiheits
grad eingeschränkt ist, sondern auch noch zusätzliche Bewegungskompo
nenten, beispielsweise in Drehrichtung zuläßt. Eine derartige Lösung ist insbe
sondere zum Kompensieren sogenannter Flüssigkeitsschläge geeignet, da
diese nur kurzzeitig auftreten und die Wechselwirkung zwischen der Mit
nahmefläche und der Mitnehmerfläche nur dann möglichst wenig belasten,
wenn auch im Extremfall die Mitnahmefläche sich kurzzeitig von der Mit
nehmerfläche lösen kann.
Die Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist konstruktiv besonders
einfach, wenn die Mitnahmefläche einen Teilabschnitt einer Innenfläche einer
Ausnehmung in der Mitnehmeraufnahme ist, in welche der Mitnehmer ein
greift, so daß durch Herstellung der Wände der Ausnehmung bereits die
Mitnahmefläche ebenfalls herstellbar ist.
Besonders einfach läßt sich auch der außerhalb des Berührungsbereichs be
stehende Freiraum zwischen dem Mitnehmer und der Mitnehmeraufnahme
dann realisieren, wenn der Mitnehmer mit Spiel in der Ausnehmung bewegbar
ist, wobei dieses Spiel einerseits eine Bewegbarkeit in Richtung des radialen
Freiheitsgrades beinhaltet, vorzugsweise aber auch noch eine Bewegbarkeit
quer zum radialen Freiheitsgrad beinhaltet, die insbesondere für das Vermei
den eines Verkantens bei Bewegungen in Richtung des radikalen Freiheits
grades wesentlich ist.
Hinsichtlich der Ausbildung der Mitnahmefläche und der Mitnehmerfläche wäre
es beispielsweise denkbar, diese derart zu begrenzen, daß sie sich lediglich
über den Berührungsbereich erstrecken.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Mitnahmefläche und die Mitnehmer
fläche so dimensioniert sind, daß sie sich über den Berührungsbereich hinaus
erstrecken und somit der Freiraum sich zwischen diese bis zum Berührungs
bereich hin erstreckt, wobei der zwischen diesen liegende Teilbereich des
Freiraums von dem Berührungsbereich ausgehend sich mit zunehmendem Ab
stand vom Berührungsbereich zunehmend vergrößert. Diese Lösung hat den
Vorteil, daß bei dieser Konzeption der Mitnehmerfläche und der Mitnahme
fläche der Berührungsbereich fließend endet und der sich daran anschließende
Freiraum bei der Relativbewegung der Mitnahmefläche zur Mitnehmerfläche
verringert, sogar geschlossen werden kann, wenn der Berührungsbereich in
diese Richtung wandert.
Besonders günstig ist es, wenn der Freiraum sich beiderseits des Berührungs
bereichs mit zunehmendem Abstand von diesem vergrößert, so daß sich die
mit der Mitnahmefläche wechselwirkende Mitnehmerfläche symmetrisch
gegenüber einer Bewegung der Mitnahmefläche in radialer Richtung nach
außen oder nach innen verhält.
Im Rahmen der bisherigen Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung wurde
davon ausgegangen, daß in mindestens einer Stellung die der Mitnehmerfläche
zugewandte Mitnahmefläche zumindest eine geringfügig kleinere Krümmung
aufweist, als die Mitnehmerfläche. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn in allen
Stellungen des zweiten Verdichterkörpers, in denen die zweite Spiralrippe
dichtend an der ersten Spiralrippe anliegt, die Mitnahmefläche eine Krümmung
aufweist, die zumindest geringfügig kleiner ist als eine Krümmung der Mit
nehmerfläche, so daß in allen Stellungen des zweiten Verdichterkörpers, in
denen die volle Antriebskraft zur Überwindung der tangentialen Gaskraft von
dem Mitnehmer auf die Mitnehmeraufnahme übertragen wird, die vorteilhaften
Verhältnisse hinsichtlich der Flächenpressungen vorliegen.
Besonders günstig ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung, wenn die Mit
nahmefläche in ungefähr derselben Ausrichtung zu einer von der Mittelachse
zur Berührungslinie der Spiralrippen verlaufenden Geraden um die Mittelachse
umlaufend bewegbar ist. Damit liegen für die Übertragung der Antriebskraft
von dem Mitnehmer auf die Mitnehmeraufnahme stets im wesentlichen die
selben Verhältnisse vor.
Ferner ist es in diesem Zusammenhang auch günstig, wenn die Mitnehmer
fläche in ungefähr derselben Ausrichtung zu einer von der Mittelachse zu der
Berührungslinie der Spiralrippen verlaufenden Geraden um die Mittelachse
umlaufend bewegbar ist, so daß damit sowohl die Ausrichtung der Mitnahme
fläche als auch die Ausrichtung der Mitnehmerfläche im wesentlichen erhalten
bleibt und somit die auftretenden Kraftkomponenten durch die Ausrichtung
vorgebbar sind.
Beispielsweise ist es denkbar, die Mitnahmefläche und die Mitnehmerfläche in
einer Ausgangsstellung, das heißt bei sich auf der theoretisch vorgesehenen
Orbitalbahn bewegenden Drehachse der Mitnehmeraufnahme, stets im
wesentlichen parallel zu der Geraden ausgerichtet zu halten, so daß die Mög
lichkeit besteht, der tangentialen Gaskraft mit einer Antriebskraft entgegen
zuwirken, ohne daß zusätzliche radiale Kraftkomponenten auftreten, so daß
die radiale Gaskraft ausschließlich durch die Zentrifugalkraft kompensiert wird.
Es ist aber auch denkbar, in der Ausgangsstellung die Ausrichtung der Mit
nehmerfläche und auch der Mitnahmefläche so zu wählen, daß die der tangen
tialen Gaskraft entgegenwirkende Antriebskraft stets noch zu einer Kraft
komponente in radialer Richtung, entweder nach außen oder nach innen, führt
und somit definiert der radialen Gaskraft oder der zentrifugalen Gaskraft ent
gegengewirkt werden kann.
Vorzugsweise bildet dabei die Mitnehmerfläche einen Ausschnitt aus der Zylin
derfläche mit elliptischem Querschnitt im Bereich der Zylinderfläche mit der
geringsten Krümmung.
Vorzugsweise ist dabei der Mitnehmer als Zylinderkörper, vorzugsweise mit
einem zumindest teilweise elliptischem Querschnitt, ausgebildet, so daß
dessen Außenfläche die Mitnehmerfläche bilden kann.
Im einfachsten Fall ist dabei der Zylinderkörper als Zylinderkörper mit einem
vollständig elliptischen Querschnitt ausgebildet.
Ein derartiger Zylinderkörper hat jedoch den Nachteil, daß er nur eine geringe
Stabilität hat, insbesondere, dann, wenn die Halbachsen der Ellipse sich hin
sichtlich ihrer Länge deutlich unterscheiden.
Aus diesem Grund sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor,
daß der Zylinderkörper einen halbseitig halbelliptischen und halbseitig halb
kreisförmigen Querschnitt aufweist. Dabei erlaubt insbesondere der halbkreis
förmige Querschnitt eine größere Stabilität des Zylinderkörpers zur Aufnahme
der tangentialen Gaskraft, ohne daß zur Bildung der Mitnehmerfläche die Vor
teile einer Zylinderfläche aufgegeben werden müssen.
Konstruktiv besonders einfach ist es dabei, wenn die Mitnahmefläche die
Innenfläche einer in der Mitnehmeraufnahme vorgesehenen Ausnehmung
bildet, da eine derartige Ausnehmung in der Mitnehmeraufnahme besonders
einfach herstellbar ist.
Vorzugsweise weist die Ausnehmung dabei einen zumindest teilweise ellip
tischen Querschnitt auf.
Auch hinsichtlich der Ausbildung der Ausnehmung ist es besonders vorteilhaft,
wenn diese einen zylindrischen Querschnitt aufweist, welcher halbseitig halb
elliptisch und halbseitig halbkreisförmig ist, so daß insbesondere ein ent
sprechend geformter Mitnehmer in die Ausnehmung eingreifen kann und das
entsprechende Spiel zwischen der Ausnehmung und dem Mitnehmer zur Ver
fügung steht.
Hinsichtlich der drehbaren Lagerung der Mitnehmeraufnahme an dem zweiten
Verdichterkörper wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Besonders
günstig ist es, wenn die Mitnehmeraufnahme mittels eines diese umgebenden
Drehlagers am zweiten Verdichterkörper gelagert ist, da damit eine sehr
günstige Übertragung der Kräfte von der Mitnehmeraufnahme auf den zweiten
Verdichterkörper möglich ist.
Vorzugsweise ist hierzu die Mitnehmeraufnahme als Körper mit
einer zylindrischen Außenfläche ausgebildet, welcher in einem
die Außenflüche umschließenden und drehbar lagernden Lager
ring des zweiten Verdichterkörpers angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand
der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar
stellung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungs
beispiel eines erfindungsgemäßen Kompressors;
Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts
längs Linie 3-3 in Fig. 1 bei in Ausgangs
stellung des zweiten Verdichterkörpers anein
ander anliegenden Spiralrippen;
Fig. 4 einen Schnitt ähnlich Fig. 3 bei aufgrund eines
Flüssigkeitsschlages voneinander weg bewegten
Spiralrippen;
Fig. 5 einen Schnitt ähnlich Fig. 3 durch ein zweites
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kompressors;
Fig. 6 einen Schnitt ähnlich Fig. 4 durch das zweite
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kompressors;
Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 6, allerdings bei
radial nach außen verschobenem zweitem Ver
dichtungskörper;
Fig. 8 einen Schnitt ähnlich Fig. 5 bei einer Variante
des zweiten Ausführungsbeispiels mit bereits
konstruktiv vorgesehener Erzeugung einer
radialen Komponente mittels der tangentialen
Gaskraft in Richtung der Zentrifugalkraft und
Fig. 9 einen Schnitt ähnlich Fig. 5 einer zweiten
Variante des zweiten Ausführungsbeispiels mit
einer konstruktiv vorgesehenen Erzeugung einer
radialen Komponente der tangentialen Gaskraft
entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Kompressors umfaßt ein als Ganzes mit 10
bezeichnetes Gehäuse, in welchem ein Antriebsmotor 12 und ein
Spiralverdichter 14 angeordnet sind.
Der Spiralverdichter 14 umfaßt einen ersten Verdichterkörper
16 und einen zweiten Verdichterkörper 18. Der erste Ver
dichterkörper 16 weist eine sich über eine Bodenfläche 20
erhebende erste Spiralrippe 22 auf, die in Form einer Kreis
evolvente verläuft und der zweite Verdichterkörper 18 weist
eine sich über eine Bodenfläche 24 erhebende zweite Spiral
rippe 26 auf, die ebenfalls in Form einer Kreisevolvente ver
läuft. Die beiden Spiralrippen 22 und 26 greifen dabei so
ineinander, daß sie sich bis zur Bodenfläche 24 bzw. 20 des
jeweils anderen Verdichterkörpers 18 bzw. 16 erstrecken und
an dieser dichtend anliegen. Zwischen den Bodenflächen 20 und
24 sowie den Spiralrippen 22 und 26 bilden sich somit Kammern
28, in welchen ein zu verdichtendes Medium eine Verdichtung
erfährt, wobei das zu verdichtende Medium über einen äußeren
Einlaßraum 30 mit Anfangsdruck zuführbar ist und über einen
Auslaß 32 unter Enddruck abführbar ist.
Vorzugsweise ist der erste Verdichterkörper 16 feststehend in
dem Gehäuse 10 angeordnet und der zweite Verdichterkörper 18
bewegt sich, wie in Fig. 3 dargestellt, auf einer um eine
Mittelachse 34 herum verlaufenden Orbitalbahn 36, wobei eine
drehfeste Führung des zweiten Verdichterkörpers 18 durch eine
Oldhamkupplung 38 in bekannter Weise erfolgt.
Der Antrieb der orbitierenden Bewegung des zweiten Ver
dichterkörpers 18 um die Mittelachse 34 erfolgt vorzugsweise
über den Antriebsmotor 12, welcher einen Stator 40 und einen
Rotor 42 aufweist, der auf einer Antriebswelle 44 sitzt, die
vorzugsweise in dem Gehäuse 10 um die Mittelachse 34 drehbar
gelagert ist.
Die Umsetzung der Drehbewegung der Antriebswelle 44 in die
orbitierende Bewegung des zweiten Verdichterkörpers erfolgt
vorzugsweise über eine Mitnehmereinheit 50, welche als Mit
nehmer einen exzentrisch an der Antriebswelle 44 angeordneten
Exzenterzapfen 52 umfaßt sowie eine Exzenteraufnahme 54, aus
gebildet als Buchse, die ihrerseits um eine Drehachse 55
drehbar in einem Buchsenlagerring 56 gehalten ist. Der
Buchsenlagerring 56 ist vorzugsweise noch mit einer die
Exzenteraufnahme umschließenden Gleithülse 58 versehen,
welche eine leichte Drehbarkeit der Buchse 54 in dem Buchsen
lagerring 56 gewährleistet.
Der Buchsenlagerring 56 ist seinerseits vorzugsweise ein
stückig an eine Bodenplatte 60 des zweiten Verdichterkörpers
18 angeformt, und zwar auf einer der zweiten Spiralrippe 26
gegenüberliegenden Seite der Bodenplatte 60 und weist somit
in Richtung des Antriebsmotors 12.
Der Mitnehmer 52 ist vorzugsweise als zylindrischer Körper
mit einem elliptischen Querschnitt, beispielsweise mit einem
Halbachsenverhältnis in der Größenordnung von 1 zu 1,5 oder
auch mehr, ausgebildet, welcher eine äußere Zylinderfläche 60
aufweist, die sich mit ihrer Zylinderachse 62 parallel zur
Mittelachse 34 erstreckt.
Zur Aufnahme des Mitnehmers 52 weist die Mitnehmeraufnahme 54
eine Ausnehmung 64 auf, in welche der Mitnehmer 52 eingreift
und die durch eine Wandfläche 70 begrenzt ist, die ebenfalls
eine Zylinderfläche eines im Querschnitt elliptischen Zylin
ders, beispielsweise mit einem Halbachsenverhältnis in der
Größenordnung von 1 zu 1,5 oder auch mehr, mit einer Zylin
derachse 72 darstellt, wobei die Zylinderachse 72 beispiels
weise mit der Drehachse 55 zusammenfällt ebenfalls parallel
zur Zylinderachse 62 und somit auch parallel zur Mittelachse
34 verläuft. Der Querschnitt des der Zylinderfläche 70
zugrunde liegenden elliptischen Zylinders ist jedoch größer
als der Querschnitt des der Zylinderfläche 60 zugrunde
liegenden Zylinders, so daß der von der Zylinderfläche 60
umschlossene Mitnehmer 52 in der Ausnehmung 64 mit Spiel W
bewegbar ist und zwar insbesondere in Richtung 80 eines
radialen Freiheitsgrades, vorgegeben durch eine Verbindungs
linie 80 zwischen der Mittelachse 34 und einer Berührungs
linie 82 der Spiralrippen 26 und 22.
Bei einer Bewegung des Mitnehmers 52 um die Mittelachse 34
auf einer Kreisbahn als Mitnehmerbahn kommt der Mitnehmer 52
mit einer von einem Teilbereich 84 der Zylinderfläche 60
gebildeten Mitnehmerfläche an einer von einem Teilbereich 86
der Zylinderfläche 70 gebildeten Mitnahmefläche zur Anlage,
wobei sich ein Berührungsbereich 88 ausbildet, der eine
quasiflächenhafte Ausbildung aufgrund der "Schmiegung" des
Teilbereichs 84 relativ zum Teilbereich 86 aufweist und
mittig des Berührungsbereichs 88 die größte Hertz'sche
Pressung vorliegt, die beiderseits der Mitte des Berührungs
bereichs 88 nach außen hin abnimmt, so daß damit die Gefahr
eines "Kantentragens" und somit einer örtlichen Überlastung
der aneinander anliegenden Flächen vermieden werden kann.
Bei einer Drehbewegung des Mitnehmers 52 in einer Dreh
richtung 90 bleibt die Ausrichtung des Teilbereichs 84 der
Zylinderfläche 60 relativ zur radialen Richtung 80 aufrecht
erhalten und in gleicher Weise bleibt die Ausrichtung des
Teilbereichs 86 der Zylinderfläche 70 relativ zur radialen
Richtung 80 aufrecht erhalten, da sich die Exzenteraufnahme
54 relativ zum Buchsenlagerring 56 verdreht, wobei die Dreh
achse vorzugsweise mit der Zylinderachse 72 der Zylinder
fläche 70 zusammenfällt.
In einer Ausgangsstellung, dargestellt in Fig. 3, liegt die
Drehachse 55 der Mitnehmeraufnahme auf der theoretisch vorge
sehenen Orbitalbahn 36 und eine in einem Schnittpunkt der
Richtung 80 des radialen Freiheitsgrades mit der theore
tischen Orbitalbahn 36 an diese Orbitalbahn 36 gelegte
Tangente 92 verläuft so, daß der Berührungsbereich 88 sich
symmetrisch zu dieser erstreckt und somit die größte
Hertz'sche Pressung im Bereich des Schnittpunkts der Tangente
92 mit dem Berührungsbereich 88 vorliegt. In dieser Ausgangs
stellung wirkt eine Antriebskraft A des Mitnehmers 52 auf die
Mitnehmeraufnahme 54 aufgrund der sich in dem Schnittpunkt 93
ergebenden und senkrecht zur Tangente 92 an die Orbitalbahn
36 verlaufenden Tangente 94 an den als Mitnehmerfläche wirk
samen Teilbereich 84 der Zylinderfläche 60 dergestalt, daß
eine tangentiale Gaskraft TG, welche auf den zweiten Ver
dichterkörper 18 in Richtung zur Drehachse 55 in senkrecht
zur radialen Richtung 80 wirkt, voll kompensiert wird, ohne
daß eine in der radialen Richtung 80 wirksame und durch die
tangentiale Gaskraft hervorgerufene Kraftkomponente auftritt,
so daß einer im Bereich der Berührungslinie 82 wirksamen
radialen Gaskraft RG lediglich eine Zentrifugalkraft Z, her
vorgerufen durch die Bewegung des zweiten Verdichterkörpers
18 auf der Orbitalbahn 36, entgegenwirkt.
Für die Kraft, mit welcher die zweite Spiralrippe 26 längs
der Berührungslinie 82 an der ersten Spiralrippe 22 anliegt,
ist somit lediglich die Bilanz zwischen der radialen Gaskraft
RG und der Zentrifugalkraft Z maßgebend.
Um nun zu erreichen, daß die zweite Spiralrippe 26 stets mit
ihrer Oberfläche an der ersten Spiralrippe 22 anliegend
umläuft, sind bei der Herstellung der Spiralrippen 22, 26
auftretende Fertigungstoleranzen und auch im Betrieb, bei
spielsweise aufgrund Wärmedehnung, auftretende Toleranzen
sowie Verschleiß zu berücksichtigen, welche dazu führen, daß
die Orbitalbahn 36 von einer theoretisch idealen Kreisbahn um
die Mittelachse 34 abweicht. Zum Ausgleich dieser Abweichun
gen der Orbitalbahn 36 von der theoretisch idealen Kreisbahn
ist der radiale Freiheitsgrad der Mitnehmeraufnahme 54 in der
radialen Richtung 80 vorgesehen, welcher dadurch erreichbar
ist, daß aufgrund der größeren Querschnittsfläche des ellip
tischen Zylinders 70 gegenüber dem elliptischen Zylinder 60
außerhalb des Berührungsbereichs 88 um den Mitnehmer 52 herum
ein Freiraum 100 existiert, welcher eine Relativbewegung der
Mitnehmeraufnahme 54 gegenüber dem Mitnehmer 52 in der radia
len Richtung 80 ermöglicht, wobei für die maximal mögliche
Bewegbarkeit in der radialen Richtung 80 eine Weite W des
Freiraums 100 in der radialen Richtung 80 maßgebend ist. Die
Weite W ist vorzugsweise so bemessen, daß sie mindestens der
radialen Abweichung der Orbitalbahn 36 von einer idealen
Kreisbahn entspricht, vorzugsweise ist die Weite W erheblich
größer.
Darüber hinaus dient der radiale Freiheitsgrad der Mitnehmer
aufnahme 54 und somit des zweiten Verdichterkörpers 18 in der
radialen Richtung 80 zur Kompensation sogenannter Flüssig
keitsschläge, die eine extreme Verschiebung des zweiten Ver
dichterkörpers 18 relativ zum ersten Verdichterkörper 16
bedingen können. Die Auswirkungen eines derartigen Flüssig
keitsschlages sind schematisch in Fig. 4 dargestellt.
Bedingt durch einen sogenannten Flüssigkeitsschlag kann ein
Abheben der zweiten Spiralrippe 26 von der Spiralrippe 22
erfolgen und somit eine Bewegung des gesamten zweiten Ver
dichterkörpers 18 in Richtung der Mittelachse 34, so daß sich
damit zwangsläufig auch die Mitnehmeraufnahme 54 und folglich
sowohl die Drehachse 55 und die Zylinderachse 72 in dieser
Richtung verschiebt, so daß die Drehachse 55 nicht mehr in
der theoretisch vorgesehenen Orbitalbahn 36 umläuft, sondern
außerhalb der Ausgangsstellung auf einer veränderten Orbital
bahn 36'. Ferner ändert sich damit auch ein Verlauf des Frei
raums 100, wobei sich gleichzeitig die Mitnehmeraufnahme 54
geringfügig verdreht, um sich so einzustellen, daß die
tangentiale Gaskraft TG, welche senkrecht zur radialen Rich
tung 80 und in Richtung auf die Drehachse 55 wirkt, welche
gegenüber dem Bereich 88 in Richtung der Mittelachse 34 ver
schoben ist, in einem Schnittpunkt 93' der Tangente 92 mit
dem Teilbereich 84' der Zylinderfläche 60 wirksam wird. Der
Berührungsbereich 88' wird dabei mittig von der Tangente 92
an die hinsichtlich ihres Radius verkleinerte Orbitalbahn 36'
durchstoßen, wobei die Tangente 92 auch durch die Drehachse
55 verläuft.
Durch die Krümmung der Zylinderfläche 60 hat der damit als
Mitnehmerfläche wirkende Teilbereich 84' eine Tangente 94',
welche in einem Winkel α zur radialen Richtung 80 verläuft
und in Richtung der Mittelachse 34 sich zunehmend an diese
annähert.
Die Mitnehmeraufnahme 54 stellt sich dabei durch Drehung um
ihre Drehachse 55 derart ein, daß der Teilbereich 86 der
Wandfläche 70 so an dem Teilbereich 84' anliegt, daß auch
dieser parallel zur Tangente 94' verläuft.
Die somit in Richtung der Tangente 92 und in Richtung auf die
Drehachse 55 wirkende tangentiale Gaskraft TG erfährt auf
grund der im Winkel α zur radialen Richtung 80 verlaufenden
Tangente 94' eine Aufspaltung in einen senkrecht zur Tangente
94' verlaufende Komponente TGS der tangentialen Gaskraft TG
und eine radiale Komponente TGR, welche in Richtung der
radialen Gaskraft RG wirkt, so daß durch diese radiale Kompo
nente TGR der tangentialen Gaskraft TG ein Abheben der
zweiten Spiralrippe 26 von der ersten Spiralrippe 22 noch
unterstützt wird.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Mitnehmer 52 so
ausgerichtet, daß sich eine große Halbachse 110 derselben im
wesentlichen parallel zur Richtung 80 des radialen Freiheits
grades erstreckt. Liegt dabei der Mitnehmer 52 symmetrisch
zur Tangente 92, so erstreckt sich die kleine Halbachse 112
der Ellipse längs der Tangente 92. In diesem Fall liegt auch
die die Zylinderfläche 70 definierende Ellipse ebenfalls mit
ihrer großen Halbachse 120 parallel zur Richtung 80 des
radialen Freiheitsgrades und mit ihrer kleinen Halbachse 122
so, daß diese mit der Tangente 92 zusammenfällt, wie sich aus
Fig. 3 ergibt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kompressors, dargestellt in Fig. 5, ist der Mitnehmer 52'
ebenfalls als zylindrischer Körper zu der Zylinderachse 62
ausgebildet, wobei allerdings die äußere Zylinderfläche 60'
nicht zylindrisch zu einer elliptischen Grundfläche ausge
bildet ist, sondern ein Zylinderflächensegment 60a aufweist,
welches zylindrisch zu einer halbelliptischen Grundfläche
ausgebildet ist und ein Zylinderflächensegment 60b aufweist,
welche zylindrisch zu einer halbkreisförmigen Grundfläche
ausgebildet ist, wobei der Radius der halbkreisförmigen
Grundfläche mit der großen Halbachse 110 der halbelliptischen
Grundfläche identisch ist und außerdem die große Halbachse
110 parallel zur radialen Richtung 80 verläuft, so daß die
Zylinderflächensegmente 60a und 60b ineinander übergehen.
Dagegen ist die kleine Halbachse 112 der halbelliptischen
Grundfläche erheblich kleiner und verläuft senkrecht zur
radialen Richtung 80.
Aufgrund der halbkreisförmigen Grundfläche des Zylinder
flächensegments 60b besteht die Möglichkeit, dem Mitnehmer
52' in Richtung der Tangente 92 eine höhere Stabilität zu
verleihen, um der tangentialen Gaskraft TG Stand zu halten.
Ferner ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Ausnehmung
64 mit der als Zylinderfläche 70' ausgebildeten Wandfläche so
geformt, daß die Zylinderfläche 70' ebenfalls ein Zylinder
flächensegment 70a mit einer halbelliptischen Grundfläche und
ein Zylinderflächensegment 70b mit einer ungefähr halbkreis
förmigen Grundfläche aufweist, wobei die große Halbachse der
halbelliptischen Grundfläche des Zylinderflächensegments 70a
gleich dem Radius der halbkreisförmigen Grundfläche des
Zylinderflächensegments 70b ist und beide Zylinderflächen
segmente 70a, b ineinander übergehen.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bildet nun das Zylinder
flächensegment 60a mit dem Teilbereich 84 die Mitnehmerfläche
und das Zylinderflächensegment 70a mit dem Teilbereich 86 die
entsprechende Mitnahmefläche, so daß sich ein Berührungs
bereich 88 ergibt, der in gleicher Weise wirkt wie beim
ersten Ausführungsbeispiel, sofern die durch die Drehachse 55
hindurch verlaufende Tangente 92 an die Orbitalbahn 36 die
Zylinderachse 62 schneidet und somit auch senkrecht zur
Tangente 94 im Berührungsbereich 88 verläuft.
Ist dagegen der Berührungsbereich 88' in Richtung der Mittel
achse 34 verschoben, so wie in Fig. 6 dargestellt, so ergibt
sich in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel
und im Zusammenhang mit Fig. 4 desselben beschrieben, eine
radiale Komponente TGR der tangentialen Gaskraft TG, welche
sich zu der radialen Gaskraft addiert und abschwächend bezüg
lich eines Kontakts der Spiralrippe 26 mit der Spiralrippe 22
wirkt.
Erfolgt dagegen, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Verschiebung
des zweiten Verdichterkörpers 18 von der Mittelachse 34 weg
nach außen, so wandert der Berührungsbereich 88" ebenfalls
nach außen und die Tangente 94" im Berührungsbereich 88" ist
gegenüber der radialen Richtung 80 derart geneigt, daß die
tangentiale Gaskraft TG zu einer radialen Komponente TGR
führt, welche der radialen Gaskraft entgegenwirkt und in
Richtung der Zentrifugalkraft Z wirksam ist, da die Tangente
94" entgegengesetzt zur Tangente 94' gegenüber der radialen
Richtung 80 geneigt ist.
Ferner ist, wie im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungs
beispiel in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellt, auch noch die Mög
lichkeit gegeben, bereits konstruktiv durch Anordnung des
Mitnehmers 52' oder 52" relativ zur radialen Richtung 80 und
zur Mittelachse 34, beispielsweise durch Ausrichtung der
Halbachse 110 in einem Winkel γ oder δ relativ zur radialen
Richtung 80, eine radiale Komponente TGR von vornherein vor
zugeben, wobei entweder, wie in Fig. 8 dargestellt, eine in
Richtung der Zentrifugalkraft Z wirkende Komponente TGR vor
gegeben werden kann, nämlich dadurch, daß die große Halbachse
110 ausgehend von der Ausgangsstellung in Fig. 5 im Uhr
zeigersinn um den Winkel γ zur radialen Richtung 80 gedreht
wird, oder eine entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft Z
wirkende radiale Komponente TGR vorgegeben werden kann, wobei
in diesem Fall eine Drehung der großen Halbachse 110 gegen
über der Ausgangsstellung in Fig. 5 um den Winkel δ entgegen
gesetzt zum Uhrzeigersinn erfolgt. Dadurch wird jeweils
bereits von vornherein im Berührungsbereich 88 eine Zerlegung
der tangentialen Gaskraft TG in eine senkrecht auf der
Tangente 94' oder 94" stehende Kraftkomponente TGS und eine
in radialer Richtung verlaufende Kraftkomponente TGR erzeugt.
Bezüglich der Erläuterung der Verhältnisse im einzelnen wird
dabei vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausfüh
rungsbeispiel im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 Bezug
genommen.
Im übrigen ist der zweite Verdichterkörper 18 in axialer
Richtung zur Mittelachse 34 auf den ersten Verdichterkörper
16 zu bewegbar, wobei ein im Gehäuse 10 geführter Kolben 130
durch Druckkammern 132, 134 beaufschlagt ist, die über Kanäle
136, 138 mit dem bereits verdichteten Medium in Verbindung
stehen, so daß der Druck in diesen die Kraft des Kolbens 130
bestimmt.
Claims (20)
1. Kompressor, umfassend einen Spiralverdichter mit einem ersten Ver
dichterkörper und einem zweiten Verdichterkörper, deren in Form einer
Kreisevolvente ausgebildete erste bzw. zweite Spiralrippen so inein
andergreifen, daß der zweite Verdichterkörper gegenüber dem ersten
Verdichterkörper auf einer Orbitalbahn um eine Mittelachse bewegbar ist,
einen Antrieb für den Spiralverdichter mit einem Antriebsmotor und eine
Mitnehmereinheit, welche einen vom Antriebsmotor angetriebenen und
auf einer Mitnehmerbahn um die Mittelachse umlaufenden Mitnehmer
und eine an dem zweiten Verdichterkörper drehbar gelagerte Mitnehmer
aufnahme aufweist, wobei die Mitnehmeraufnahme in radialer Richtung
zur Mittelachse mit einem radialen Freiheitsgrad gegenüber dem Mit
nehmer bewegbar ist, wobei der zweite Verdichterkörper aufgrund dieses
radialen Freiheitsgrades und der wirksamen Zentrifugalkräfte mit der
zweiten Spiralrippe an der ersten Spiralrippe des ersten Verdichter
körpers anliegend bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (52) eine
konvexe, einen Ausschnitt aus einer Zylinderfläche (60) mit elliptischem
Querschnitt bildende Mitnehmerfläche (84) aufweist, daß die Mitnehmer
aufnahme (54) eine der Mitnehmerfläche (84) zugewandte, in Drehrich
tung konkave Mitnahmefläche (86) mit geringerer Krümmung als die
Mitnehmerfläche (84) aufweist, auf welche die Mitnehmerfläche (84)
über einen Berührungsbereich (88) durch Kraftbeaufschlagung einwirkt
und daß die Mitnahmefläche (86) relativ zur Mitnehmerfläche (84) mit
einer in Richtung (80) des radialen Freiheitsgrades verlaufenden Kompo
nente bewegbar ist.
2. Kompressor, umfassend einen Spiralverdichter mit einem ersten Ver
dichterkörper und einem zweiten Verdichterkörper, deren in Form einer
Kreisevolvente ausgebildete erste bzw. zweite Spiralrippen so inein
andergreifen, daß der zweite Verdichterkörper gegenüber dem ersten
Verdichterkörper auf einer Orbitalbahn um eine Mittelachse bewegbar ist,
einen Antrieb für den Spiralverdichter mit einem Antriebsmotor und eine
Mitnehmereinheit, welche einen vom Antriebsmotor angetriebenen und
auf einer Mitnehmerbahn um die Mittelachse umlaufenden Mitnehmer
und eine an dem zweiten Verdichterkörper drehbar gelagerte Mitnehmer
aufnahme aufweist, wobei die Mitnehmeraufnahme in radialer Richtung
zur Mittelachse mit einem radialen Freiheitsgrad gegenüber dem Mit
nehmer bewegbar ist, wobei der zweite Verdichterkörper aufgrund dieses
radialen Freiheitsgrades und der wirksamen Zentrifugalkräfte mit der
zweiten Spiralrippe an der ersten Spiralrippe des ersten Verdichter
körpers anliegend bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (52) eine
konvexe Mitnehmerfläche (84) aufweist, daß die Mitnehmeraufnahme
(54) eine der Mitnehmerfläche (84) zugewandte konkave, einen Aus
schnitt aus einer Zylinderfläche (70, 70') mit elliptischem Querschnitt bil
dende Mitnahmefläche (86) mit geringerer Krümmung als die Mitneh
merfläche (84) aufweist, auf welche die Mitnehmerfläche (84) über einen
Berührungsbereich (88) durch Kraftbeaufschlagung einwirkt und daß die
Mitnahmefläche (86) relativ zur Mitnehmerfläche (84) mit einer in Rich
tung (80) des radialen Freiheitsgrades verlaufenden Komponente
bewegbar ist.
3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mitnehmer (52) mit der Mitnehmeraufnahme (54) nur über den Berüh
rungsbereich (88) in Kontakt steht und im übrigen von einem sich
zwischen dem Mitnehmer (52) und der Mitnehmeraufnahme (54) er
streckenden Freiraum (100) umgeben ist.
4. Kompressor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mitnahmefläche (86) ein Teilabschnitt einer Innen
fläche (70) einer Ausnehmung (64) in der Mitnehmeraufnahme (54) ist,
in welche der Mitnehmer (52) eingreift.
5. Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mit
nehmer (52) in Richtung (80) des radialen Freiheitsgrades mit Spiel in
der Ausnehmung (64) bewegbar ist.
6. Kompressor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahmefläche (86) und
die Mitnehmerfläche (84) so dimensioniert sind, daß der
zwischen diesen liegende Teilbereich des Freiraums (100)
ausgehend von dem Berührungsbereich (88) sich mit
zunehmendem Abstand von dem Berührungsbereich (88)
zunehmend vergrößert.
7. Kompressor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Freiraum (100) sich beiderseits des Berührungs
bereichs (88) mit zunehmendem Abstand von diesem ver
größert.
8. Kompressor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in allen Stellungen des
zweiten Verdichterkörpers (18) in denen die zweite
Spiralrippe (26) dichtend an der ersten Spiralrippe (22)
anliegt, die Mitnahmefläche (86) eine Krümmung aufweist,
die kleiner ist als eine Krümmung der Mitnehmerfläche
(84).
9. Kompressor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahmefläche (86) in
ungefähr derselben Ausrichtung zu einer von der Mittel
achse (34) zur Berührungslinie (82) der Spiralrippen
(22, 26) verlaufenden Geraden (80) um die Mittelachse
(34) umlaufend bewegbar ist.
10. Kompressor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmerfläche (84) in
ungefähr derselben Ausrichtung zu einer von der Mittel
achse (34) zu der Berührungslinie (82) der Spiralrippen
(22, 26) verlaufenden Geraden (80) um die Mittelachse
(34) umlaufend bewegbar ist.
11. Kompressor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mitnehmerfläche (84) einen
Ausschnitt einer Zylinderfläche (60) mit elliptischem
Querschnitt bildet.
12. Kompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mitnehmer (52, 52') als Zylinderkörper ausgebildet
ist.
13. Kompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinderkörper (52, 52') einen zumindest teilweise
elliptischen Querschnitt aufweist.
14. Kompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinderkörper (52') einen halbseitig halbellip
tischen und halbseitig halbkreisförmigen Querschnitt
aufweist.
15. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahmefläche (86)
einen Ausschnitt aus einer Zylinderfläche (70, 70') mit
elliptischem Querschnitt bildet.
16. Kompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zylinderfläche (70, 70') die Innenfläche einer in
der Mitnehmeraufnahme (54, 54') vorgesehenen Ausnehmung
(64, 64') mit einem zylindrischen Querschnitt bildet.
17. Kompressor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmung (64, 64') einen zumindest teilweise
elliptischen Querschnitt aufweist.
18. Kompressor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmung (64, 64') einen zylindrischen Querschnitt
aufweist, welcher halbseitig halbelliptisch und halb
seitig halbkreisförmig ist.
19. Kompressor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmeraufnahme (54,
54') mittels eines diese umgebenden Drehlagers (56, 58)
am zweiten Verdichterkörper (18) gelagert ist.
20. Kompressor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mitnehmeraufnahme (54) als Körper mit einer kreis
zylindrischen Außenfläche ausgebildet ist, welcher in
einem die Außenfläche umschließenden und drehbar lagern
den Lagerring (56) des zweiten Verdichterkörpers (18)
angeordnet ist.
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