DE3300838A1

DE3300838A1 - Mit einem fluid arbeitende maschine in spiralbauweise

Info

Publication number: DE3300838A1
Application number: DE3300838A
Authority: DE
Inventors: Nobukatsu Ibaraki Arai; Shigeru Machida; Eiji Ibaraki Chiyoda Sato; Kenji Tojo; Naoshi Shimizu Uchikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-01-13
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1983-07-28
Also published as: JPS58122386A; US4496296A

Description

MIT EINEl-I FLUID ARBEITENDE MASCHINE IN SPIRALBAUWEISE

Die Erfindung betrifft eine mit einem Fluid arbeitende Maschi-i ne in Spiralbauweise, die als Kompressionseinrichtung im Κϋηΐη kreislauf einer Klimaanlage, eines Kühlschranks oder dergleichen, als Einrichtung zum Komprimieren von Luft oder eines an-j deren Gases oder als Expansionsmaschine verwendet werden kann, die Energie durch Expandieren eines Druckgases erzeugt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, mit der das Umlaufspiralelement gegen das damit zusammenwirkende Spiralelement in der mit einem Fluid arbeitenden Maschine in Spiralbauweise gedrückt wird.

Aus der US-PS 3 884 599 ist bereits eine axiale Dichtungseinrichtung bekannt, mit der eine Abdichtung zwischen den gegenüberliegenden axialen Stirnflächen von zwei Spiralelementen einer mit einem Fluid arbeitenden Maschine in Spiralbauweise erreicht wird. Dabei wird Gas aus einer Arbeitskammer, in der der höchste Druck in dem geschlossenen Kreis herrscht, an die Rückseite des UmlaufSpiralelements entgegengesetzt zum damit zusammenwirkenden Spiralelement angelegt. Gewöhnlich ist die Auslaßöffnung des Kompressors in Spiralbauweise mit einer zu beschickenden Einrichtung, beispielsweise inem Kondensator, verbunden. Der Druck des Gases an der Abgabeöffnung variiert mit der Änderung des Arbeitsz ustandes, so daß die axiale Druckkraft, die von dem Gas auf die Rückseite des Umlaufspiralelements ausgeübt wird, ausreichend schwankt, um die Umlaufbewegung des Umlaufspiraleleraents instabil werden zu lassen, was eine nicht mehr glatt ablaufende und unzuverlässige Komprimierung ergibt. VJenn der Saugdruck geändert wird, während der Druck an der Abgabeöffnung konstant gehalten wird, ändert sich die Trennkraft, welche zwei Spiralelemente voneinander trennen möchte und die von dem zwischen den Spiralelementen eingeschlossenen Gas erzeugt wird, wodurch ein

Ungleichgewicht zwischen der Kraft, welche die zwei Spiralelemente trennen möchte und der Kraft, welche das Umlaufspiralteil anpressen möchte, hervorgerufen wird, was eine schlechte Kompression ergibt.

Außerdem wurde vorgeschlagen, das Gas, das während der Kompression oder Expansion aus der Arbeitskammer abgeleitet wird, auf die Rückseite des Omlaufspiralelements einwirken zu lassen. Der Druck in der Arbeitskammer ändert sich jedoch entsprechend der Änderung des .Saugdrucks, so daß sich die axiale, auf das Umlaufspiralelement wirkende Druckkraft ansprechend auf die Änderung des Saugdrucks entsprechend ändert. In diesem Fall ist es somit möglich, trotz der Änderung des Saugdrucks eine stabile Kompression aufrecht zu erhalten. Diese stabile Kompression kann jedoch nur innerhalb eines begrenzten Bereichs des Abgabedrucks erreicht werden, da in diesem Fall kein Mittel vorgesehen ist, um eine Beziehung zwischen dem Abgabedruck und dem Innendruck der Arbeitskammer herzustellen.

Bei einem Gerät, welches ein sogenanntes Kapazitätssteuersystem der Einlaßbypassbauweise aufweist, wird der Druck in der Arbeitskammer auf einen Wert unter dem Druck reduziert, der für das Andrücken des Umlaufspiraleiements gegen das damit zusammenwirkende Spiralelement reduziert ist, wenn die Kapazitätskontrolle durchgeführt wird. In diesem Fall ist es nicht möglich, eine gute Abdichtung zwischen den gegenüberliegenden axialen Stirnflächen der beiden Spiralelemente zu bewirken.

Erfindungsgemäß soll deshalb eine Vorrichtung zum Anlegen einer axialen Druckkraft an das Umlaufspiralelement einer mit einem Fluid arbeitenden Maschine in Spiralbauweise geschaffen werden, die derart verbessert ist, daß eine wirksame Abdichtung zwischen den Stirnflächen der Spiralelemente

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gewährleistet ist. Diese Vorrichtung soll außerdem in der Lage sein, den Energieverlust aufgrund der Reibung auf ein Minimum zu reduzieren, eine geeignete axiale Druckkraft auch dann aufrecht zu erhalten, wenn eine Kapazitäts- .. bzw. Volumensteuerung durchgeführt wird, indem das Gas in , der geschlossenen Arbeitskammer direkt zu dieser Druckseite strömen gelassen wird, wobei die Last- bzw. Beschickungseinrichtung umgangen wird. Mit der Vorrichtung soll weiterhin die Verformung des Umlaufspiralelements verringert werden. Außerdem soll die Vorrichtung in einem Kompressor mit einem Schmiersystem einsetzbar sein, vor allem in einem Kompressor, bei welchem ein Kompressionselement und ein Elektromotor für den Antrieb des Kompressors in einem gemeinsamen verschlossenen Gehäuse aufgenommen sind. Die Vorrichtung soll ermöglichen, mit einfachen Mitteln einen Schmierölkanal auszubilden, durch welchen das Schmieröl zu den Gleitflächen zwischen den beiden Spiralelementen geführt wird. Zusätzlich soll die Vorrichtung bei einem Kompressor einsetzbar sein, der in der Lage ist, in zwei Arbeitsweisen zu v/irken, nämlich zur Komprimierung für das Kühlen und Erwärmen einer Klimaanlage mit Wärmepumpe. Schließlich sollen der Saugdruck und der Förderdruck über weite Bereiche veränderbar sein.

Das wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Anlegen einer axialen Druckkraft an das Umlaufspiralelement einer mit einem Fluid arbeitenden Maschine in Spiralbauweise erreicht, die zv/ei Spiralelemente aufweist, von denen jedes eine Spiralwand und eine Stirnplatte hat. Die Spiralelemente sind miteinander so gekoppelt, daß ihre Wände ineinandergreifen. Das eine Spiralelement führt eine Umlaufbewegung relativ zum anderen, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen, aus, wodurch wenigstens eine Arbeitskammer für unterschiedliche Drucke zwischen den beiden Spiralelementen gebildet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat wenig-

-Ίο-

stens zwei eine Druckkraft ausübende Kammern, die auf der Seite des UmlaufSpiralelements, die der Spiralwand gegenüberliegt, ausgebildet sind. Die eine Druckkraft ausübenden Kammern haben eine erste Kammer, die über einen Verbindungskanal mit wenigstens einer der Arbeitskammern in Verbindung steht, die von der Niederdrucköffnung körperlich getrennt und von der Hochdrucköffnung isoliert sind, sowie eine zweite Kammer, die über eine Hochdrucköffnung durch einen Kanal angeschlossen ist, so daß unterschiedliche Fluiddrucke an die erste und zweite eine Druckkraft ausübende Kammer angelegt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt von Fig. 1 in dem Abschnitt, in welchem die Spiralwände der beiden Spiralelemente ineinandergreifen,

Fig. 3A, 3B in Diagrammen die Druckverteilung auf die Stirnplatte eines Umlaufspiralelements, wenn die mit Fluid arbeitende Maschine mit Nennleistung bzw.

mit Kapazitätssteuerung betrieben wird, und Fig. 4 die Definition des Hüllwinkels der Spiralwand.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform einer eine Druckkraft ausübenden Vorrichtung ist bei einem Kompressor eingesetzt, der mit einer Kapazitätssteuerung der Einlaßbypassbauweise versehen ist.

• Der Kompressor hat ein Gehäuse 1, einen an dem Gehäuse 1 befestigten Rahmen 8, ein ortsfestes Spiralelement 10, das am Rahmen 8 sitzt, ein mit dem ortsfesten Spiralelement 10 kämmendes Umlaufspiralelement 11, eine Kompressionskammer

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20 zwischen den Spiralwänden der beiden Spiralelemente/ ei- ■ nen Motor 21 für den Antrieb des Umlaufspiralelements 11, eine treibende Einrichtung 24, eine erste Gegendruckkammer 30, die mit einem Gas mit einem Zwischendruck gefüllt ist, eine zweite Gegendruckkammer 31, in die ein Schmieröl unter hohem Druck eingeführt wird, und eine Kapazitäts- bzw. Volumensteuereinrichtung.

Das Gehäuse 1 ist abgedichtet ausgeführt und besteht aus einem Zylinder 2, einem oberen Deckel 3 und einer unteren Abdeckung 4. In dem oberen, mittleren bzw. unteren Teil des Gehäuses 1 sind eine Förderkammer 5 für komprimiertes Gas, eine Abgabekammer 6 für komprimiertes Gas, bzw. eine Schmierölkammer 7 ausgebildet.

Der Rahmen 8 ist am oberen Abschnitt des Zylinders 2 des Gehäuses 1 befestigt. Im oberen Abschnitt des Rahmens 8 ist eine Aufnahmekammer ausgebildet. In einer Seite des Rahmens 8 ist ein Teil 9 für die Abführung des komprimierten Gases ausgespart. In einem Ende des Rahmens 8 ist außerdem eine Durchgangs'öffnung 38 für das komprimierte Gas vorgesehen.

Das stationäre bzw. lagefeste Spiralelement 10 besteht aus einer Stirnplatte 12, einer Spiralwand 14 und einem ringförmigen Ümfangsabschnitt 16 und ist am Umfangsabschnitt 16 vom Rahmen 8 durch geeignete Befestigungseinrichtungen, wie nicht gezeigte Bolzen, festgelegt. Die Stirnplatte 12 hat eine Förderöffnung 36, durch welche das komprimierte Gas aus dem Mittelabschnitt der Kompressionskammer 20 abgeführt wird In dem Umfangsabschnitt 16, der auf seiner Innenseite eine Saugkainmer 35 begrenzt, ist eine Saugöffnung 34 ausgebildet, durch welche das zu komprimierende Gas angesaugt wird. In der Stirnseite des Umfangsabschnitts 16 ist eine Durchgangsöffnung 37 für das komprimierte Gas ausgebildet, die mit der

COPY I

Gasdurchgangsöffnung 38 in Verbindung steht.

Das Umlaufspiralelement 11 hat eine Stirnplatte 13, auf der eine Spiralwa'nd 15 ausgebildet ist. An der Rückseite, also auf der der Spiralwand 15 gegenüberliegenden Seite, trägt die Stirnplatte 13 einen Wellenhalteteil 17 der treibenden Einrichtung 24. Das Umlaufspiralelement 11 befindet sich in der Aufnahmekammer, die im oberen Abschnitt des Rahmens 8 ausgebildet ist. Zwischen der Stirnplatte 13 und der Aufnahmekammer befindet sich eine erste Gegendruckkammer 30.

Die Stirnplatte 13 ist mit Gegendrucköffnungen 46a, 46b versehen, durch welche das Druckgas in die erste Gegendruckkammer 30 aus der Kompressionskammer 20 während der Kompression eingeführt wird. Die Spiralwand 15 des UmlaufSpiralelements 11 hat eine Form, die zu der der Spiralwand 14 des stationären Spiralelements 10 im wesentlichen identisch ist. Jede Spiralwand hat dabei eine Form, die sich aus einer Kombination einer Evolventenkurve und Bögen ergibt. Das stationäre Spiralelement 10 und das Umlaufspiralelement 11 sind miteinander so gekoppelt, daß die Spiralwände 14 und 15 zur Bildung der dazwischenliegenden Kompressionskammer 2 0 ineinandergreifen. Die Stirnplatte 12 des stationären Spiralelements 10 und die axiale Stirnfläche der Spiralwand 15 des Umlaufspiralelements 11 haben einen leichten Druckkontakt an der Kontaktfläche 18. Gleicherweise haben die Stirnplatte 13 des Umlaufspiralelements 11 und die Stirnfläche der Spiralwand 14 des stationären Spiralelements 10 einen leichten Druckkontakt an der Kontaktfläche 19.

In dem Gehäuse 1 ist in Köhenrichtung im wesentlichen in • seinem Mittelabschnitt ein Motor 21 mit einem Stator 22 und einem Rotor 23 angeordnet. Der Stator 22 ist mit einer Vielzahl von Gasdurchgangsöffnungen 39, 39' versehen, die im Abstand in Umfangsrichtung angeordnet sind.

Die treibende Einrichtung 24 hat eine Hauptwelle 25, die mit dem Rotor 23 des Motors 21 gekoppelt und drehbar im Rahmen 8 durch ein Paar von Gleitlagern 52 und 53 abgestützt ist, eine Exzenterwelle 26, die mit dem oberen Ende der Hauptwelle 25 verbunden ist, und das Wellenhaltteil 17, das mit der Exzenterwelle 26 in Eingriff steht. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist die Achse O₂ der Exzenterwelle 26 zur Achse O₁ der Hauptwelle 25 um den Abstand ε versetzt. An der Exzenterwelle 26 greift das an dem Umlaufspiralelement 11 ausgebildete Wellenhalteteil 17 über ein Gleitlager 54 an, welches auch als Abdichtung dient, so daß das Umlaufspiralelement 11 eine Umlaufbewegung um die Mitte des stationären Spiralelements 10 ausführt. Das Gleitlager 53 hat ebenfalls eine Dichtungsfunktion. Am unteren Ende der Hauptwelle 25 ist ein ölpumpstück 47 befestigt. Längs der Hauptwelle 25 und der Exzenterwelle 26 sind ein ölzuführungskanal 48 und zwei ölzuführöffnungen 49 ausgebildet. Die Stirnplatte 13 des Umlaufspiralelements 11 ist mit einer nicht gezeigten ölzuführungsöffnung versehen, durch welche Schmieröl 51 den Schmierung erfordernden Gleitabschnitten zugeführt wird. Zwischen dem oberen Ende der Exzenterwelle 26 und dem Wellenhalteteil 17 des UmlaufSpiralelements 11 ist eine zweite Gegendruckkammer 31 ausgebildet.

In Fig. 1 sind weiterhin ein an der Hauptwelle 25 vorgesehenes Ausgleichsgewicht 27, eine zwischen dem Umlaufspiralelement 11 und dem Rahmen 8 vorgesehene Drehsperre 28 und ein an dem oberen Deckel 3 angebrachter luftdichter Verschluß gezeigt.

Das zu komprimierende Gas wird in die Kompressionskammer durch ein Saugrohr 33, das am oberen Abschnitt des Zylinders 2 des Gehäuses 1 befestigt ist, eine Saugöffnung

im ümfangsabschnitt 16 des stationären Spiralelements 10 und eine Saugkammer 35 gesaugt. Das in der Kompressionskammer 20 komprimierte Gas 50 wird in die Abgabe kammer 6 im Gehäuse 1 über die Förderöffnung 36 im Mittelabschnitt der Stirnplatte 12 des stationären Spiralelements 10, die im oberen Abschnitt des Gehäuses 1 ausgebildete Abgabekammer 5, die im ümfangsabschnitt 16 des stationären Spiralelements 10 ausgebildete Gasdurchgangsöffnung 37 und die im Rahmen 8 ausgebildete Gasdurchgangsöffnung 38 abgeführt.

Ein Teil des komprimierten Gases 50 wird aus der Abgabekammer 6 in den ausgesparten Teil 9 im Rahmen 8 geleitet, während der verbleibende Teil des komprimierten Gases 50 in die Schmierölkammer 7 im Gehäuse 1 durch eine Gasdurchgangsöffnung 39, die im Stator 22 des Motors 21 aüsgebildet ist, und in den ausgesparten Teil 9 im Rahmen 8 über eine weitere im Stator 22 ausgebildete Gasdurchgangsöffnung 39* eingeführt wird. Dieser Teil des Gases wird nach

außen aus dem Kompressor über ein Abgaberohr 40, das mit dem Zylinder 2 des Gehäuses 1 verbunden ist, und dann durch eine Abgabeleitung 41 abgeführt, die zur Außenseite des Kompressors führt.

Die Kapazitäts- bzw. Volumensteuereinrichtung für die Kompressionskainmer 20 hat Bypass öffnungen 42a, 42b für das angesaugte Gas, die in der Stirnplatte 12 des stationägen Spiralelements 10 vorgesehen sind, ein aufgezweigte-s Bypassrohr 43, das mit den Bypassöffnungen 42a, 42b verbunden ist, eine Bypassleitung 44, über welche das Bypassrohr 43 mit einer Saugleitung 32 verbunden ist, und ein Magnetventil 45, das in einem Zwischenabschnitt der Bypassleitung 44 angeordnet ist. Das Magnetventil 45 wird offengehalten, wenn der Kompressor unter Kapazitäts- bzw. Volumensteuerung steht. Wenn das Magnetventil 45 offengehalten ist, kann das angesaugte Gas direkt zur Saugleitung 32 von einem Zwischenab-

coPY I

schnitt der Kompressionskammer 2 0 durch die Bypassöffnungen 42a, 42b, das Bypassrohr 43, das Magnetventil 45 ur' die Bypassleitung 44 zurückströmen, wodurch eine Regulierung des Gasvolumens bewirkt wird, das abschließend in der Kompressionskammer 20 eingeschlossen wird. Das Magnetventil 45' ist deshalb während des Nennbetriebs des Kompressors geschlossen.

Die Einrichtung zum Aufbringen der minimal erforderlichen äußeren Kraft, um eine Abdichtung zwischen den Kontaktflächen der Stirnplatten und den Stirnseiten der Spiralwände der beiden Spiralelemente 10 und 11 aufrecht zu erhalten, d.h., die Einrichtung zum Aufbringen einer geeigneten axialen Druckkraft, umfaßt zwei Systeme.

Eines dieser Systeme ist so gebaut, daß das Gas aus der Druckkammer 20 während der Kompression in die erste Gegendruckkammer 30 eingeführt wird, die zwischen der Stirnplatte 1 3 und der Aufnahmekammer des Rahmens 8 über die Gegendrucköffnungen 46a, 46b eingeführt wird, die in der Stirnplatte 13 des Spiralelements 11 ausgebildet sind. Das andere System ist so gebaut, daß sich der'Druck des komprimierten Gases aus dem Mittelabschnitt der Kompressionskammer 20 in der Abgabekammer 6, die in dem Zwischenabschnitt des Gehäuses 1 ausgebildet ist, und in der Schmierölkammer 7 unter der Abgabekammer 6 über die Abgabeöffnung 36 in der Stirnplatte 12 des stationären Spiralelements 10, die Abgabekammer 5 im oberen Teil des Gehäuses 1, die Gasdurchgangsöffnung 37 im Umfangsabschnitt 1 6 des ortsfesten Spiralelements 10, die Gasdurchgangsöffnung 38 im Rahmen 8 und über die Gasdurchgangsöffnung 39 im Stator 22 des Motors 21 aufbauen kann. Der auf diese Weise angelegte Abgabedruck setzt das Schmieröl 51 unter Druck, so daß es mit dem dem Abgabedruck des Gases entsprechenden Druck

durch in den ölzuführungskanal 48 in der treibenden Einrichtung 24 in die zweite Gegendruckkammer 31 gelangt, die zwischen dem oberen Ende der Exzenterwelle 26 und dem Wellenhalteteil 17 des UmlaufSpiralelements 11 ausgebildet ist.

Die Positionen der Gegendrucköffnungen 46a, 46b, durch welehe das Gas in die erste Gegendruckkaimner 33 eingeführt wird, wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 4 zeigt, wie der Hüllwinkel als Mittel zur Definierung der Positionen der Gegendrucköffnungen 46a, 46b verwendet werden kann. Nimmt man an, daß die Spiralwand 15 als Evolventenkurve bestehend aus einer inneren Kurve 15B und einer äußeren Kurve 15A ausgebildet ist, wird der Hüllwinkel· λ als Drehwinkel der Evolventenkurve auf dem Basiskreis Bs angegeben. Der Punkt λη der Außenkurve 15A ist ein Punkt, der durch den Hüllwinkel λ festgelegt ist. BL ist eine Basisachsenlinie.

Der Zwischendruck Pb, der für das Anlegen einer geeigneten axialen Druckkraft an das Umlaufspiralelement Jl 1 erforderlieh ist, ändert sich abhängig von verschiedenen Faktoren, beispielsweise dem Betriebszustand des Kompressors, der Größe und Form der Spiralwände, der Größe der oberen Stirnfläche der Exzenterwelle 26 der treibenden Einrichtung 24 usw. Die Positionen der Gegendrucköffnungen 46a, 46b zur Erzielung des erforderlichen Zwischendrucks zum Anlegen einer axialen Druckkraft werden wie folgt festgelegt:

. Der Druck Pb, der über die Gegendrucköffnungen 46a, 46b abgezweigt wird, wird nach der folgenden Gleichung (1) berechnet.

30 Pb -

(1)

Andererseits wird der zur Erzielung der geeigneten axialen Druckkraft erforderliche Gegendruck nach der folgenden Gleichung (2) berechnet:

Pb-Ab + Pd-Ad = Fpa+'~ +Fs (2)

wobei

Pb ein geeigneter Zwischendruck (der Druck in der ersten

Gegendruckkammer),
Ab die Fläche der Rückseite des UmlaufSpiralelements, auf die der Druck Pb einwirkt,
Pd der hohe Druck des Gases oder Schmieröls (Druck in der zweiten Gegendruckkammer),

Ad die Fläche, auf welche der Druck Pd wirkt, Fpa die axiale Fluidkraft in den Spiralwänden, Ms das an die Umlaufspirale durch die radiale Fluidkraft in den Spiralwänden angelegte Moment,

Rb der Radius der Stirnplatte des Umlaufspiralelements und Fs die an die Gleitflächen der Stirnplatten angelegte Kraft infolge des Hydraulikdrucks

sind.

Die Position Xb der Gegendrucköffnung 46a und die Position Xb+ii der Gegendrucköffnung 46b werden so bestimmt, daß zunächst die Höhe des Drucks Pb entsprechend Gleichung (2) berechnet und dann der Hüllwinkel Xb nach Gleichung (1) bestimmt wird, der dem so erhaltenen Druck Pb entspricht. Die so bestimmten Positionen der Gegendrucköffnungen 46a, 46b sind nicht immer solche, die nur mit der völlig geschlossenen Arbeitskammer in Verbindung stehen, welche von den Spiralwänden 14 und 15 gebildet werden, in manchen Fällen können die Gegendrucköffnungen 4 6a, 46b auch für einen bestimmten Zeitraum mit einer Arbeitskammer 20a in Verbindung stehen, die in die Saugkammer mündet.

COPt

Die Gegendrucköffnung 46a wird an einer Stelle längs der äußeren Kurve der Spiralwand 15 ausgebildet, während die Gegendrucköffnung 46b an einer Stelle längs der inneren Kurve der Spiralwand 15 ausgebildet wird. Die öffnungen 46a, 46b sind gewöhnlich kreisförmig, da die Kreisform maschinell leicht herzustellen ist. Die Kreisform ist jedoch nicht zwingend. Für eine leichtere Endbearbeitung können die Gegendrucköffnungen 46a, 46b so ausgebildet sein, daß ihr Rand mit der inneren Kurve und der äußeren Kurve einer jeden Spiralwand 15 zusammenfällt oder etwas davon beabstandet ist, obwohl die öffnungen 46a, 46b auch so ausgebildet sein können, daß sie in die Spiralwand 15 oder in die Seitenfläche der Spiralwand 15 einschneiden.

Die Größe der Gegendrucköffnunqen 46a, 46b, d.h., der Durchmesser der Öffnungen, wenn es sich um kreisförmige Öffnungen handelt, sollte in der größten Erstreckung kleiner als die Stärke t der Spiralwand 14 sein, da die öffnungen, wenn sie in der Stirnwand 13 ausgebildet werden, von den Stirnflächen der Spiralwand 14 abgedichtet werden müssen. Nach einer üblichen Auslegung entspricht die Stärke t der Spiralwand 14 gleich der der Spiralwand 15. Die untere Grenze für den Durchmesser der öffnung beträgt?etwa (ε + t)/10, was sich jedoch abhängig von der von der Maschine pro Zeiteinheit behandelten Gasmenge, dem Volumen der ersten Gegendruckkammer 30 und anderen Faktoren ändert.

Bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform sind die Gegendrucköffnungen 46a, 46b in der Stirnplatte 13 des Umlaufspiralelements 11 ausgebildet. Die Gegendrucköffnungen 46a und 46b können jedoch auch in der Stirnplatte 12 des 30' stationären Spiralelements 10 an einer solchen Stelle ausgebildet werden, die die Entnahme von Gas bei dem gleichen Zwischendruck gewährleistet. In diesem Fall sind die Gegen-

drucköffnungen mit der ersten Gegendruckkammer 30 über eine, gesonderte Leitung verbunden.

Wenn die Einführung von Schmieröl in die zweite Gegendruckkammer nicht erforderlich ist, ist es möglich/ eine kleine öffnung in den die Arbeitskammer 20c begrenzenden Mittelabschnitt der Stirnplatte 13 des ümlaufspiralelements 11 auszubilden, um eine Verbindung mit der zweiten Gegendruckkammer 31 herzustellen, so daß das Hochdruckgas direkt in die zweite Gegendruckkammer 31 eingeführt wird. In diesem Fall ist die zweite Gegendruckkammer 31 von dem ölzuführungskanal 48 getrennt.

Der vorstehend beschriebene Spiralkompressor arbeitet folgendermaßen:

Für den Nennbetrieb, d.h. Vollastbetrieb, des Kompressors ist das Magnetventil 45 geschlossen, wenn der Motor 21 angelassen wird, wodurch die treibende Einrichtung 2 4 in Drehung versetzt wird. Dadurch wird eine Drehbewegung auf das Umlaufspiralelement 11 ausgeübt, wobei ein Radius der Urnlaufbewegung mit dem Abstand ε zwischen der Hauptwelle 25 der treibenden Einrichtung 24 und der Exzenterwelle 26 zusammenfällt.

Als Folge der Umlaufbewegung des UmlaufSpiralelements 11 wird Gas in die Kompressionskammer 20 durch die Saugleitung 32, das Saugrohr 33, die Saugöffnung 34 und die Saugkammer 35 gesaugt und beim Transport von dem äußeren Umfangsabschnitt 20a der Kompressionskammer 20 zum Mittelabschnitt 20c über den Zwischenabschnitt 20b fortlaufend komprimiert

Wie durch den Pfeil in Fig. 1 veranschaulicht ist, wird das Kompressionsgas 50, das in der Kompressionskammer 20 korn-

primiert worden ist, in die Abgabekammer 5 im oberen Abschnitt des Gehäuses 1 über die Abgabeöffnung 36 abgeführt, die im Mittelabschnitt des stationären Spiralelements 10 ausgebildet ist. Dann wird das Gas zum Abgabekanal 6 im Gehäuse 1 über die Gasdurchgangöffnung 37 im Umfangsabschnitt 16 des stationären Spiralelements 10 und die Gasdurchgangsöffnung 38 im Rahmen 8 abgeführt. Ein Teil dieses Gases 50 wird in den ausgesparten Teil 9 im Rahmen 8 über einen oberen Abschnitt des Motors 21 eingeführt, während der andere Teil'in die Schmierölkammer 7 im Gehäuse 1 über die Gasdurchgangsöffnung 39 . im Stator 22 des Motors 21 und weiter in den ausgesparten Teil 9 im Rahmen 8 über die andere Gasdurchgangsöffnung 39' im Stator 22 strömt. Wenn das Gas auf diese Weise strömt, kühlt es den Motor 21 und wird aus dem Kompressor über das ausgesparte Teil, das Abgaberohr 40 und die Abgabeleitung 41 entnommen.

Während der Komprimierung des Gases wirkt die vom komprimierten Gas erzeugte Kraft auf das Umlauf spirale lern ent 11 so, daß dieses von dem stationären Spiralelement 10 wegbewegt wird. Andererseits erzeugt das Gas mit dem Zwischendruck, welches durch die Gegendrucköffnungen 46a, 4 6b in die Stirnplatte 13 des UmlaufSpiralelements 11 in die erste Gegendruckkammer 30 zwischen der Stirnplatte 13 des Umlaufspiralelements 11 und der Aufnahmekammer im Rahmen eingeführt wird, eine Kraft, die auf die Rückseite des Umlaufspiralelements 11 so einwirkt, daß dieses zu dem stationären Spiralelement 11 entgegen der vorher genannten Kraft gedrückt wird, die das Umlaufspiralelement 11 von dem sta-. tionären Spiralelement 10 wegbewecjen möchte. Gleichzeitig setzt das in die Schmierölkammer 7 eingeführte komprimierte Gas das Schmieröl 51 unter Druck, so daß das Schmieröl 51 mit einem Druck, der dem Förderdruck des Kompressors

entspricht, in die zweite Gegendruckkammer 31 zwischen dem Wellenhalteteil 17 des UmlaufSpiralelements 11 und dem oberen Ende der Exzenterwelle 26 eingeführt wird. Der Druck des so eingeführten Schmieröls erzeugt eine Kraft, die ebenfalls auf die Rückseite des UmlaufSpiralelements 11 entgegen der Kraft wirkt, welche das Umfangsspiralelement 11 von dem stationären Spiralelement 10 wegbewegen möchte. Die auf die Rückseite des ümfangsspiralelements 11 einwirkende axiale Druckkraft, die über die beiden erwähnten Systeme aufgebracht wird, ermöglicht es, eine stabile und sichere Abdichtung an der Kontaktfläche 18 zwischen der Stirnplatte 12 des stationären Spiralelements 10 und der Stirnseite der Spiralwand 15 des UmlaufSpiralelements 11 sowie an der Kontaktfläche 19 zwischen der Stirnplatte 13 des Umlaufspiralelements 11 und der Stirnfläche der Spiralwand 14 des stationären Spiralelements 10 aufrecht zu er-, halten.

Um die Volumenregulierung zur Reduzierung des Volumens der Kompressionskammer 20 zu bewirken, wird das Magnetventil 45,*· welches die Kapazitätssteuereinrichtung bildet, geöffnet.

Als Folge davon kann in dem Bereich der Kompressionskammer, in den die Bypassöffnungen 42a, 42b münden, das angesaugte Gas direkt in die Saugleitung 32 über die Bypassöffnungen 42a, 42b, das Bypassrohr 43, das Magnetventil 45 und das Bypassrohr 44 strömen. Dies hat zur Folge, daß eine wirksame Kompression nur dann ausgeführt wird, wenn die Bypassöf fnungen 42a, 42b durch die Stirnseite der Spiralwand 15 des Umlaufspiralelements 11 geschlossen werden, wodurch das Volumen des Kompressors verringert wird.

Wenn der Kompressor mit reduzierter Kapazität arbeitet, wird auch die dem Motor 21 zugeführte elektrische Leistung ver-

ringert. Deshalb ist es möglich/ mit einem einzigen Kompressor eine Zweistufenkapazitätssteuerung durchzuführen, ohne die Drehzahl des Motors 21 zu ändern.

Während des Betriebs mit reduzierter Kapazität bzw. mit reduziertem Volumen, haben die Bypassöffnungen 42a und 42b Positionen in der Nähe der Gegendrucköffnungen 46a und 46b. Die Bypassöffnungen können mit dem äußeren ümfangsabschnitt 20a der Druckkammer 20 während eines längeren Zeitraums in Verbindung stehen. Dies hat zur Folge, daß der in die erste Gegendruckkammer 30 aus der Kompressionskammer 20 über die Gegendrucköffnungen 46a und 4 6b gelangende Druck auf eine Höhe reduziert ist, die dem Saugdruck angenähert ist. In diesem Fall wird jedoch durch das komprimierte Gas 50, das in die Schmierölkammer 7 eingeführt wird, das Schmieröl 51 ebenfalls unter Druck gesetzt, so daß der dem Förderdruck des Gases 50 entsprechende Druck über den ölzuführungskanal 48 in der treibenden Einrichtung 24 in die zweite Gegendruckkammer 31 gelangt und dort eine Kraft mit einer Größe erzeugt, die ausreicht, um die Trennkraft zu überwinden, die zwischen dem Umlaufspiralelement 11 und dem stationären Spiralelement 10 wirkt. Dadurch ist es möglich, eine stabile und zuverlässige Abdichtung an der Kontaktfläche 18 zwischen der Stirnplatte 12 des stationären Spiralelements 10 und der Stirnfläche der Spiralwand 15 am Umlaufspiralelement 11 sowie an der Kontaktfläche 19 zwischen der Stirnplatte 13 des Umlaufspiralelements 11 und der Stirnfläche der Spiralwand 14 des ortsfesten Spiralelements 10 aufrecht zu erhalten.

Bei dieser Ausführungsform kann eine spezielle Rohranordnung und eine spezielle Steuereinrichtung für die Einstellung des Gegendrucks entfallen, da die Gasdurchgangsöffnungen 37, 38 und 39,.39' in den Elementen ausgebildet sind, die -im Gehäuse 1 angeordnet sind.

Fig. 3A und 3B zeigen die Druckverteilungen an der Spiralseite und an der Rückseite der Stirnplatte -13 des Umlaufspiralelements 11 bei der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsform.

Während des Nennbetriebs des Kompressors wirkt auf die Seite der Stirnplatte 13 des UmlaufSpiralelements 11 der Saugdruck P₁ ein. Die Drucke in-den Arbeitskammern P-, P.,, P. nehmen fortlaufend zur Mitte der Stirnplatte 13 hin zu, wobei ein Druck P₅ etwas höher als der Saugdruck P ist und am Ende der Stirnplatte 13 wirkt. Andererseits nimmt die Rückseite der Stirnplatte 13, die der Kompressionskammer 20 gegenüberliegt, den Zwischendruck Pb des unter Kompression in die erste Gegendruckkammer 30 durch die Gegendrucköffnungen 46a, 46b geführten Gases sowie den Öldruck P₄' auf, der in der zweiten Gegendruckkammer 31 wirkt und dem Gasfö'rderdruck entspricht, der über den ölzuführungskanal 48 in der treibenden Einrichtung 24 übetragen wird. Die Drucke Pb und P.¹ erzeugen zusammen eine Kraft, welche gegen die Trennkraft wirkt, die von den Drucken P₁ bis P₁. erzeugt wird, welche das Umfangsspiralelement 11 von dem stationären Spiralelement 10 trennen möchte.

Wenn der Kompressor mit reduziertem Volumen infolge der Volumen- bzw. Kapazitätssteuerung arbeitet, wirken die Drucke P., bis P₄ auf die Seite der Stirnplatte 13 ein, die der Kompressionskammer 20 zugewandt ist, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist.

Andererseits wirkt ein Druck P ', der im wesentlichen gleich dem Saugdruck P₁ ist, in der ersten Gegendruckkammer 30 auf die Rückseite der Stirnplatte 1 3 über die Gegendrucköffnungen 46a, 46b und zusätzlich ein Öldruck P-,' / der dem Förderdruck entspricht, der in der zweiten Gegendruckkammer 31

über den ölzuführungskanal 48 wirkt. Es ist deshalb möglich/ wenigstens die minimale axiale Andrückkraft durch die Drucke P ' und P₃ ¹ auf die Rückseite der Stirnplatte 13 einwirken zu lassen, um die Trennkraft zu überwinden, die von den Drucken P₁ bis P erzeugt wird, die auf die Seite der Stirnplatte 13 einwirken und das IMfangsspiralelement 11 vom stationären Spiralelement 10 trennen möchten.

Die beschriebene Ausfuhrungsform bezieht sich auf einen Kompressor mit einer Volumensteuerfunktion. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch bei einem Kompressor verwendet werden, der keine Kapazxtätssteuerung hat. In diesem Fall fehlen bei dem Kompressor die Bypassöffnungen 42a, 42b in der Stirnplatte des stationären Spiralelements 10* die Bypassrohre 43, 44 und das Magnetventil 45 von Fig.

und Fig. 2. In diesem Fall arbeitet der Kompressor auf die gleiche Weise wie bei der beschriebenen Form mit Ausnahme der Kapazxtätssteuerung.

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Claims

330083Έ

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12. Januar 1983

MIT EINEM FLUID ARBEITENDE MASCHINE IN SPIRALBAUWEISE

Patentansprüche

1J Mit einem Fluid arbeitende Maschine in Spiralbauweise gekennzeichnet durch,

a) ein stationäres Spiralelement (10) mit einer Stirnplatte (12) und einer Spiralwand (14), die auf einer Seite des ortsfesten Spiralelements (10) ausgebildet ist und senkrecht davon absteht,

b) ein Umlaufspiralelement (11) mit einer Stirnplatte (13) und einer Spiralwand (15), die auf einer Seite der Stirnplatte (13) ausgebildet ist und senkrecht davon absteht, wobei das Umlaufspiralelement (11) mit dem stationären Spiralelement (10) derart koppelbar ist, daß die Spiralwände (14, 15) an den beiden Spiralelementen (10, 11) ineinandergreifen und eine Vielzahl von Arbeitskammern (20) dazwischen bilden,

c) einen Rahmen (8), der an dem stationären Spiralelement (10) befestigt ist,

d) eine treibende Einrichtung (24) zur Herbeiführung einer Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements (11)

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mit einer Hauptwelle (25), die drehbar von dem Rahmen (8) über Lager (52, 53) getragen ist, einer Exzenterwelle (26) für die Übertragung der Bewegung der Hauptwelle (26) auf "das Umlaufspiralelement (11) an einer Stelle mit einem Abstand (ε), der im wesentlich gleich dem Radius der relativen Umlaufbewegung zwischen den Spiralelementen (10, 11) ist,

e) eine Hochdrucköffnung (36),

f) eine Niederdrucköffnung (34),

g) eine Drehsperre (28), die zwischen dem Umlaufspiralelement (11) und einem ortsfesten Teil der Maschine angeordnet ist, um eine festgelegte Winkelbeziehung des UmlaufSpiralelements (11) mit dem ortsfesten Spiralelement (10) aufrecht zu erhalten,·

h) eine erste Gegendruckkammer (30), die im Zusammenwirken mit dem Rahmen (8), der treibenden Einrichtung (24) und dem Umlaufspiralelement (11) gebildet wird und die einen Fluiddruck hält, der eine axiale Druckkraft auf das Umlaufspiralelement (11) ausübt,

i) eine ersten Gegendruckdurchgang (46a, 46b), der eine Verbindung zwischen der ersteh Gegendruckkammer (30) und wenigstens einer der Arbeitskammern (20) herstellt, in der ein Zwischendruck des Fluids herrscht und die keine wesentliche Verbindung mit der Niederdrucköffnung (34) und keinerlei Verbindung mit der Hochdrucköffnung (36) aufweist,

k) eine zweite Gegendruckkammer (31), die von der Exzenterwelle (26) der treibenden Einrichtung (24) und einem' WeIlenhalteteil (17) gebildet wird, das drehbar und axial beweglich an der Exzenterwelle

(26) angreift, wobei in der zweiten Gegendruckkammer (31) ein Fluiddruck für das Anlegen einer axialen

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Druckkraft an das UmlaufSpiralelement (11) herrscht und

1) einen zweiten Gegendruckdurchgang mit einem Fluidkanal (48), der in der treibenden Einrichtung (24) ausgebildet ist und die Zuführung des Fluiddrucks
in die zweite Gegendruckkammer (31) ermöglicht, urn an das Umlaufspiralelement (11) eine axiale Druckkraft anzulegen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gegendruckdurchgang
zwei Gegendrucköffnungen (46a, 46b) in dem Umlaufspiralelement (11) aufweist, während der zweite Gegen-

druckdurchgang eine obere Gehäusekammer (5), die mit
der Hochdrucköffnung (36) in Verbindung steht, eine
dazwischenliegende Gehäusekammer (6), eine untere Gehäusekammer (7), die als Ölsumpf dient, und einen
Durchgang (34, 38, 39) für eine Verbindung zwischen
der oberen Gehäusekammer (5) und der unteren Gehäusekammer (7) aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenhalteteil (17) der
treibenden Einrichtung (24) auf der Rückseite des Umlaufspiralelements (11) ausgebildet ist, während die

Exzenterwelle (26) der treibenden Einrichtung (24) an der Hauptwelle (25) ausgebildet ist und eine Achse
O_ hat, die von einem Abstand [ε)von der Achse O^ der
Hauptwelle (25) angeordnet ist, der im wesentlichen
gleich dem Radius der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements (H) ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gegendrucköffnungen

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(46a, 46b) in der Stirnplatte (13) des Umlaufspiralelements (11) ausgebildet sind und einen Durchmesser haben, der höchstens kleiner als die Stärke der Spiralwand (15) des Spiralelements (11).

5, Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendrucköffnungen (46a, 46b) einen Durchmesser haben, der höchstens kleiner als die Stärke der Spiralwand (14, 15) der Spiralelemente (10, 11).

6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das der zweiten Gegendruckkammer (31) zugeführte Fluid Öl (.51) ist, das einen Druck hat, der im wesentlichen gleich dem Druck des Fluids an der Hochdrucköffnung (36) ist.

?. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl das Schmieröl (51) der Maschine ist .

8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Gleitlager (54), die eine Dichtungsfunktion ausüben und zwischen dem Wellenhalteteil (17) und der Exzenterwelle (25) angeordnet sind und den Fluiddruck in der zweiten Gegendruckkammer (31) halten.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g ekennzeichnet durch einen Motor (21) für den Antrieb der Hauptwelle (25) der treibenden Einrichtung (24) und durch ein den Motor (21), das ortsfeste Spiralelement (10), das Umlaufspiralelement (11) und den Rahmen (8) umschließendes Gehäuse (1, 2), dessen Innenraum mit der Hochdrucköffnung (36) in Verbindung steht.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1,- 2) eine obere Kammer (5), die über dem stationären· Spiralelement (10) angeordnet ist und mit der Hochdrucköffnung (36) in Verbindung steht, eine Zwischenkammer (6), die das stationäre Spiralelement (10), den Rahmen (8) und den Motor (21) aufnimmt, und eine untere Kammer (7) aufweist, in der sich das Schmieröl (51) befindet.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gegendruckdurchgang zum Zuführen des Schmieröls (51) zur zweiten Gegendruckkammer (31) in der Hauptwelle

(25) und in der Exzenterwelle (26) ausgebildet ist, wobei die untere stirnseitige Öffnung (47) des Fluidzuführungskanals (48) in der Hauptwelle (25) sich in dem Schmieröl (51) im Gehäuse (1, 2) befindet.

12. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammern (20) Komprenssionskammern sind.

13. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsperre zwischen dem Umlaufspiralelement (11) und dem Rahemn (8) angeordnet ist, wodurch eine Drehung des Umlaufspiralelements (11) um die Achse O2 der Exzenterwelle

(26) verhindert wird.

14. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Durchlaßeinrichtungen (42a, 42b, 43, 44), die eine Verbindung zwischen der Kompressionskammer (20) unter Kompressionsdruck und

der Saugseite der Maschine herstellen, und durch ein in einem Zwischenabschnitt (44) der Durchlaßeinrichtungen angeordnetes Absperrventil (45).