DE2831179A1 - Verdraengermaschine nach dem spiralprinzip - Google Patents

Verdraengermaschine nach dem spiralprinzip

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DE2831179A1 DE19782831179 DE2831179A DE2831179A1 DE 2831179 A1 DE2831179 A1 DE 2831179A1 DE 19782831179 DE19782831179 DE 19782831179 DE 2831179 A DE2831179 A DE 2831179A DE 2831179 A1 DE2831179 A1 DE 2831179A1
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Description

ε-
78.026
L EY BO L D-HERAEUS GMBH * Köln-Bayental
Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip
Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine (Verdichter, Vakuumpumpe oder dgl.) nach dem Spiralprinzip mitzwei Verdrängerelementen, welche jeweils axial ineinandergreifende spiralförmige Wände bzw. Ausnehmungen aufweisen und relativ zueinander eine translatorische Kreisbewegung ausführen.
Verdichter, Vakuumpumpen und andere Verdrängermaschinen nach dem Spiralprinzip sind seit längerem bekannt (vergl. z.B. DE-AS 22 25 und DE-OS 26 03 462). 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. Durch einemeist kreisförmige , aber rein translatorische Relativbewegung (Parallelführung) der beiden Verdrängerelemente v/andern 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, Relativbewegung versetzt. Der zweite Weg besteht, sofern eine
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kreisförmige Relativbewegung angestrebt wird, darin, beide Verdrängerelemente drehbar zu lagern, wobei die Drehachsen um die gewünschte Exzentrizität versetzt sind (z.B. Evolventenpumpen). Sobald die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen sich über einen Umfangswinkel von wenigstens 2 /7/~^ 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 (Umfangwinkel ^y//^y ) 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 spiralförmigen Wände und 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 präzise Abwälzung und Abdichtung in den radialen Kontaktpunkten zwischen den spiralförmigen Wänden und Ausnehmungen nicht einfach zu
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bewerkstelligen ist. Wenn aber sauberes zwangfreies Abwälzen in denKontaktpunkten 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 Prallelführung 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 klimatisiertenRäumen, Thermostatisierung der Verdrängerelemente durch einen ausgefeilten Kühlölumlauf und dgl. (vergl. z.B. DE-AS 22 26 327). Die ausgeführten Lösungen erfordern jedoch einen vielfach höherenkufwand an Fertigungskosten als bei Pumpen und Verdichtern in ölüberlagerter Bauweise, z.B. Drehschiebervakuumpumpen und ähnliche. Daher haben sich Spiralverdrängermaschinen bisher nur dort durchsetzen können, wo mangels Alternativlösungen die hohen Kosten in Kauf genommen werden müssen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine (Verdichter, Vakuumpumpe oder dgl.) nach dem Spiralprinzip mit zwei Verdrängerelementen, welche jeweils axial ineinandergreifende spiralförmige Wände bzw. Ausnehmungen aufweisen und relativ zueinander eine translatorische Kreisbewegung ausführen, zu schaffen, welche unter Beibehaltung hoher Verdichtungsverhältnisse wesentlich kostengünstiger herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für mindestens eines der beiden Verdrängerelemente eine elatische Aufhängung vorgesehen ist. Dem elastisch aufgehängten Verdrängerelement wird eine Ausweichbewegung ermöglicht, die in gewissen Rahmen ungenaue Parallelführung, ungenaue Konturenfertigung sowie thermische Verformung und Spielaufzehrung zulässig werden läßt, ohne daß diejverdichtungsverhältnisse negativ beeinflußt werden. Die Erfindung ist sowohl bei Verdrängermaschinen, bei denen das eine der Verdrängerelemente ruht und das andere an einem oder mehreren Kurbeltrieben gleicher Exzentrizität gehaltert ist, als auch bei Verdrängermaschinen f bei denen beide Verdrängerelemente um zueinander versetzte Achsen drehbar gelagert sind, anwendbar. Bei einer Verdrängermaschine des erstgenannten Typs kann entweder das ruhende oder das sich bewegende Verdrängerelement (oder beide) elastisch aufgehängt sein. Bei einer Verdrängermaschine des zweitgenannten Typs kann die elastische Aufhängung eines der beiden Verdrängerelemente (oder beider) z.B. dadurch realisiert sein, daß die Lager selbst von elastischen Elementen umgeben sind.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die elastische Aufhängung in der Weise vorgespannt ist, daß die dadurch bewirkte Vorspannkraft durch
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den oder die Kontaktpunkte zwischen den beiden Verdrängerelementen weist und in geeigneter Weise mit dem oder den Kontaktpunkten umläuft. Bei einer %in dieser Weise ausgebildeten Verdrängermaschine tritt ein unerwünschter Nebeneffekt nicht mehr auf. Dieser Nebeneffekt besteht darin, daß an den elastisch aufgehängten Verdrängerelementen als Folge des Verdichtungsvorganges Luftkräfte angreifen, die in einer solchen Richtung wirken können, daß die spiralartigen Wände und Ausnehmungen auseinandergedrückt werden können, so daß der Kontakt zwischen beiden aufgehoben wird. Das hat eine innere Undichtheit der Verdrängermaschine und damit eine Verschlechterung der Verdichtungsverhältnisse zur Folge. Durch Vorspannung der elastischen Aufhängung in der angegebenen Richtung wird der Kontakt zwischen den Wänden bzw. Ausnehmungen ständig aufrechterhalten. Eine solche Vorspannung kann z.B. durch ein abgestimmtes Übermaß des Kurbelradius der Antriebs- und/oder der Führungskurbeln erzeugt werden.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme, die auch bei Verdrängermaschinen ohne elastische Aufhängung eines oder beider Verdrängerelemente realisiert werden kann, besteht darin, daß zumindest die einander berührenden Oberflächen der Verdrängerelemente aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, welche für das Wälzgleiten besonders geeignet sind. Als vorteilhafte Werkstoffpaarung kommt dafür z.B. Aluminium oder Stahl mit Polytetrafluoräthylen mit mineralischen oder metallischen Füllstoffen oder Strukturen infrage. Diese Maßnahmen ermöglichen ebenfalls die kostengünstige Herstellung funktionsfähiger ölfreier Verdrängermaschinen.
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-to-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 6 schematisch dargestelltenkusführungsbeispielen erläutert werden. Als Ausführungsbeispiele sind zwar nur Maschinen dargestellt, bei denen das eine der Verdrängerelemente ruht und das andere eine kreisförmige translatorische Bewegung ausführt; die beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale sind jedoch ohne weiteres auch bei anderen Verdrängermaschinen nach dem Spiralprinzip anwendbar.
In allen Figuren umfaßt das Gehäuse der dargestellten Ausführungsbeispiele zwei Teile, nämlich einen topfförmigen Teil 1 mit dem Einlaß- bzw. Auslaßstutzen 2 bzw. 3 und einen deckeiförmigen Teil 4, in dem die Antriebswelle 5 gelagert ist. Die Antriebsachse ist mit 6 bezeichnet. Die Lager sind nur schematisch angedeutet und tragen das Bezugszeichen 7.
Innerhalb des Gehäuses 1,4 sind ein feststehendes Verdrängerelement 8 und ein eine translatorische Kreisbewegung ausführendes Verdrängerelement 9 angeordnet. Diese bestehen im wesentlichen jeweils aus einer Scheibe 10 bzw. 11, auf denen einander angepaßte, ineinandergreifende spiralförmige Wandungen 12 bzw. 13 vorgesehen sind, welche jeweils spiralförmige Ausnehmungen bilden. Von den spiralförmigen Wandungen 12, 13 jeweils eingeschlossene, von innen nach außen.oder von außen nach innen sich bewegende Räume bewirken den Fördereffekt der Maschine.
Bei den Ausführungsbeispielen nach denFiguren 1,3 und 4 ist die Scheibe 10 identisch mit dem Boden .des topfförmigen Gehäuseteiles 1, Die spiralförmigen Wandungen 12 und das Gehäuseteil 1 sind einstückig ausgebildet.
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Damit das sich bewegende Verdrängerelement eine translatorische Kreisbewegung ausführen kann, sind eine mit der Welle 5 gekoppelte Antriebskurbel 1«4 und mindestens eine Führungskurbel 15 vorgesehen. Dazu ist die Antriebswelle 5 abtriebsseitig mit einem exzentrisch zur Achse 6 liegenden Wellenstumpf 16 versehen, der mittels der Lagerhülse 17 im Verdrängerelement 9 gelagert ist. Die Führungskurbel 15 weist antriebs- und abtriebsseitige Wellenstümpfe 18 und 19 auf, die jeweils in Lagerhülsen 20 bzw. 21 gelagert sind. Die Größe der Exzentrizität ist in den Figuren 1 und 2 jeweils mit Hilfe des Doppelpfeiles 22 angedeutet.
Beim Ausführungsbeispiel nachFigur 1 ist die Erfindung dadurch realisiert, daß die abtriebsseitigen Wellenstümpfe 16 und 19 im sich bewegenden Verdrängerelement 9 elastisch gelagert sind. Dazu sind am Verdrängerelement 9 Lagerbuchsen 23 und 24 vorgesehen, in die die abtriebsseitigen Wellenstümpfe 16 und 19 der Kurbel 14 und
15 mit ihren Lagerhülsen 17 und 21 eingreifen. Der Durchmesser der Lagerbuchsen 23 und 24 ist so gewählt, daß außer den Wellenstümpfen
16 und 19 elastische, die Wellenstümpfe umgebende Elemente 25 und darin untergebracht werden können. Infolge dieser elastischen Elemente kann das Verdrängerelement Ausweichbewegungen ausführen, die aufgrund ungenauer Parallelführung, ungenauer Konturenfertigung oder thermischer Verformung oder Spielaufzehrung notwendig sind.
Als elastisches Element ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 jeweils ein die Wellenstümpfe 16 und 19 umgebender Ring 25,26 aus Gummi oder einem-Elastomer eingesetzt. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, diesen Ring z.B. durch radial gerichtete Schraubenfedern, wellige Federringe und dergl. zu wählen. Wesentlich ist die weitgehende Elastizität dieser die Lagerung umgebenden Elemente.
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Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das -Ausführungsbeispiel nach Figur 1 in Höhe der Linie II-II. Bei diesem Ausführungsbeispiel dienen zwei Schraubenfedern 27 als elastisches Element. Aus Stabilitätsgründen sind jedoch drei oder noch mehr Federn zweckmäßig. Die Federn wurden aus Übersichtlichkeitsgründen nur im Bereich der Antriebskurbel 14 dargestellt. Zusätzlich sind zwei weitere Führungskurbel 15 und 15' vorgesehen, die jedoch nur gestrichelt angedeutet wurden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind ebenfalls Federn als elastische Elemente vorgesehen, und zwar sowohl für die Antriebskurbel 14 als auch für die Führungskurbel 15. Eine andere Ausführungsform besteht darin, die elastische Lagerung antriebsseitig vorzusehen. Dazu müßte die Antriebswelle 5 und der antriebsseitige Wellenstumpf 18 der Führungskurbel 15 in der bereits beschriebe^en Weise im Deckel 4 elastisch gelagert sein. Ein gesondertes Ausführungsbeispiel ist dafür nicht dargestellt.
Eine elastische Aufhängung für das sich bewegende Verdrängerelement 9 kann auch dadurch erreicht werden, daß das deckeiförmige Gehäuseteil 4 als ganzes elastisch aufgehängt ist. Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in Figur 4 dargestellt. Hierbei ist die elastische Aufhängung des Deckels 4 dadurch realisiert, daß zwischen Gehäuseteil 1 und dem Deckel 4 ein umlaufender Faltenbalg 29 vorgesehen ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, daß ruhende Verdrängerelement 8 elastisch aufzuhängen, so daß es die gewünschten Ausgleichsbewegungen zuläßt. Ausführungsbeispiele dafür sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Beim Ausführungsbeispiel nach
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Figur 5 ist das ruhende Verdrängerelement 8 als vom Gehäuseteil 1 unabhängiges Bauteil ausgebildet, das mittels einer Vielzahl radial gerichteter Schraubenfedern 30 im Gehäuse 1 gehaltert ist. Für die Zu- bzw.* Abführung der geförderten Medien sind Faltenbälge 31,32 vorgesehen.Natürlich können die Schraubenfedern 30 auch durch ein umlaufendes elastisches Band ersetzt sein.
Beim Ausführungsbeispiel nach'Figur 6 sind zur Halterung des ruhenden Verdrängerelementes 8 parallel zur Antriebsachse 6 gerichtete Stifte 35 und 36 (nur zwei sind dargestellt)r drei Stifte sind besonders zweckmäßig) vorgesehen, denen Ringe 37 und 38 aus elastischem Material zugeordnet sind. Diese werden ihrerseits von mit demVerdrängerelement 8 fest.verbundenen Hülsen 3 9 und 40 umgeben, so daß sich insgesamt eine elastische Aufhängung ergibt.
Anhand der Figur 2 soll noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verdrängermaschine erläutert werden. Wie bereits erwähnt, besteht die Gefahr, daß die Verdichtungsverhältnisse dadurch verschlechtert werden, daß die relativ zueinander bewegenden spiralförmigen Wandungen der Verdränger elemente ihren Kontakt verlieren. Es ist deshalb zweckmäßig, die elastische Aufhängung in der Weise vorzuspannen, daß die dadurch bewirkte Vorspannkraft ständig durch den oder die Kontaktpunkte zwischen den beiden Wandungen 12,13 der Verdrängerelemente 8,9 weist, Das kannz.B. dadurch geschehen, daß die durch die Antriebs- und Führungskurbeln bestimmte Exzentrizität - angedeutet durch den Doppelpfeil 22 - etwas größer ist als es die spiralförmigen Wandungen der Verdrängerelemente an sich zulassen. Dieses Übermaß des
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Kurbelradius kann so gewählt werden, daß auf die Wandung 13 des Verdrängerelementes 9 ständig eine Kraft ausgeübt wird, die die Wandung 13 in Richtung der eingezeichneten Pfeile 34 im Bereich der jeweiligen Kontaktpunkte auf die Wandung 12 des ruhenden
Verdrangerelementes 8 drückt. Da sich die Kurbel während des
Betriebs der Pumpe (die Antriebsrichtung ist durch den Pfeil 35 gekennzeichnet) drehen, ist sichergestellt, daß diese Kraft
ständig im Bereich der ebenfalls umlaufenden Kontaktpunkte derart wirkt, daß der Kontakt stets sichergestellt ist.
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Claims (17)

  1. 2831173
    78.026
    A N SPRUCHE
    Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit zwei Verdrängerelementen, welche jeweils axial ineinandergreifende spiralförmige Wände bzw. Ausnehmungen auf v/ei sen und relativ zueinander eine translatorische Kreisbewegung ausführen,dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens eines der beiden Verdrängerelemente (8,9) eine elastische Aufhängung (25,26,27,29,30) vorgesehen ist.
  2. 2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das eine (8) der Verdrängerelemente ruht und das andere (9) an einem oder mehreren Kurbeltrieben (14,15) gleicher Exzentrizität gehaltert ist und daß für das ruhende und/oder das angetriebene Verdrängerelement eine elastische Aufhängung (25,27,29,30) vorgesehen ist.
  3. 3. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ruhende Verdrängerelement (8) elastisch in einem Gehäuse (1,4) aufgehängt ist.
  4. 4. Verdrängermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ruhende Verdrängerelement (8) über zylindrische Federelemente (25,26) mit dem Gehäuse (1,4) verbunden ist, deren Achsen zur Achse (6) der Kreisbewegung etwa parallel liegen.
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    ORIGINAL INSPECTED
  5. 5. Verdrängermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ruhende Verdrängereie::?ent (8) über mehrere Schraubenfedern (30) im Gehäuse (1,4) aufgehängt ist, deren Achsen zur Achse (6) der Kreisbewegung im vesentlichenradial verlaufen.
  6. 6. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ruhende Verdrängerelement (8) starr mit dem Gehäuse (1,4) verbunden ist oder vom Gehäuse selbst gebildet wird und daß das sich bewegende Verdrängerelement (9) elastisch aufgehängt ist.
  7. 7. Verdrängermaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das sich bewegende Verdrängerelement (9) elastisch an den Wellenstümpfen ( i6,19) der Kurbeltriebe (14,15) aufgehängt ist.
  8. 8. Verdrängermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrängerseitigen Wellenstümpfe (16,19) der Kurbeltriebe (14,15) vonzylindrischen Federelementen (25,26) umgeben sind.
  9. 9. Verdrängermaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kurbeltriebe (15) antriebsseitig und die Antriebswelle (5) elastisch gelagert sind.
  10. 10.Verdrängermaschine nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kurbeltriebe (15) und die Antriebswelle (5) antriebsseitig in einem Gehäuseteil (4)gelagert sind der seinerseits an einem weiteren Gehäuseteil (1) elastisch aufgehängt ist.
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    ■ ORIGINAL INSPECTED
  11. 11.Verdrängermaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (1 und 4) über einen vorzugsweise metallischen Faltenbalg (29) miteinander verbunden sind.
  12. 12.Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise beider Verdrängerelemente (S,9) um zueinander versetzte Achsen drehbar gelagert sind und daß mindestens für eines der beiden Verdrängerelemente eine elastische Aufhängung vorgesehen ist.
  13. 13.Verdrängermaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Lager des einen oder beider Verdrängerelemente von elastischen Elementen umgeben sind,
  14. .Verdrängermaschinen nach einem der vorhergehenden Einsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung in &r Weise vox'gespannt ist, daß die dadurch bewirkte Vorspannkraft durch den oder die Kontaktpunkte zwischen den beiden Verdrängerelementen (8,9) weist und in geeigneter Weise mit dem oder den Kontaktpunkten umläuft.
  15. 15.Verdrängermaschine nach Anspruch 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung durch ein bestimmtes Übermaß des Kurbelradius der Antriebs- und/oder Führungskurbeln (14,1.':,' erzeugt wird.
  16. 16.Verdrängermaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die einander berührenden Oberflächen der Verdrängerelemente (8,9) aus
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    ■ '-!#■ ORIGINAL IHBPMCT
    unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, welche für das Wälzgleiten besonders geeignet sind.
  17. 17.Verdrängermaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstoff Aluminium oder Stahl ist und der andere Werkstoff Polytetrafluoräthylen mit mineralischen oder metallischen Füllstoffen ist.
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