DE3705863A1

DE3705863A1 - Kompressor in spiralbauweise

Info

Publication number: DE3705863A1
Application number: DE19873705863
Authority: DE
Inventors: Akira Murayama; Naoshi Uchikawa; Ryoichi Kuroshima; Hiroaki Kuno; Tetsuya Arata; Masao Shiibayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-02-26
Filing date: 1987-02-24
Publication date: 1987-08-27
Also published as: KR900003197B1; KR870008119A; JPS62197684A; DE3705863C2; US4818195A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor in Spiralbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Kompressor in Spiralbauweise ist ein Verdichter, bei dem das Verhältnis zwischen dem Volumen, mit welchem das Gas angesaugt wird, und dem Volumen, auf das das Gas abschließend verdichtet ist, konstant ist. Wenn ein solcher Kompressor mit einem Verdichtungsverhältnis arbeitet, das kleiner als ein vorgegebener Sollwert ist, wird der Druck in der Kompressionskammer höher als der zu erzielende Förderdruck. Diese Erscheinung wird insgesamt als "Überkompression" bezeichnet. Die Überkompression belastet den Kompressor in unnötiger Weise und hat zur Folge, daß der Kompressor in unwirtschaftlicher Weise Antriebsleistung verbraucht.

Die Überkompression kann durch eine Anordnung vermieden werden, bei der das Gas in der Kompressionskammer zur Förderseite des Kompressors freigegeben wird, wenn der Druck in der Kompressionskammer größer als der Förderdruck des Kompressors wird. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist aus der US-PS 43 89 171 bekannt. In dieser US-PS sind jedoch die kritischen Auslegungsbedingungen, die zur Unterbindung der Überkompression während des gesamten Kompressionszeitraums erforderlich sind, also vom Augenblick, an dem die Ansaugung des Gases vervollständigt ist, bis zum Augenblick, bei dem die Kompression abgeschlossen ist, z. B. die Positionen der Gasfreigabeöffnungen bezüglich der Anzahl der Windungen der Spiralwand, die Anzahl der Gasfreigabeöffnungen und der Aufbau der Ventileinrichtungen, um diese Freigabeöffnungen wahlweise zu öffnen und zu schließen, nicht beschrieben. Die in der US-PS beschriebene Anordnung kann eine Überkompression nur auf einem begrenzten Abschnitt des gesamten Kompressionszeitraums verhindern und kann nicht bei Kompressoren für Klimaanlagen, die jeweils eine kleine Anzahl von Windungen der Spiralwand haben, und nicht für Kältemaschinenkompressoren verwendet werden, die eine große Anzahl von Spiralwandwindungen aufweisen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, den Kompressor in Spiralbauweise der eingangs genannten Art so auszubilden, daß jegliche Neigung zur Überkompression über einen weiten Betriebswinkelbereich des Kompressors in Spiralbauweise unterbunden werden kann, nämlich vom Abschluß der Gasansaugung bis zum Abschluß der Kompression.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kompressor in Spiralbauweise gelöst, der ein Umlaufspiralelement und ein stationäres Spiralelement aufweist. Jedes Spiralelement hat eine Stirnplatte und eine im wesentlichen spiralförmige Wand, die im wesentlichen senkrecht von einer Seite der Stirnplatte absteht. Die Spiralelemente sind so angeordnet, daß ihre Spiralwände ineinandergreifen, wodurch eine Vielzahl von geschlossenen Räumen zwischen den Spiralwänden und den Stirnplatten zur Schaffung von Kompressionskammern gebildet wird. Das Umlaufspiralelement ist so ausgebildet, daß es eine Umlaufbewegung bezüglich des stationären Spiralelements ausführen kann, so daß die Kompressionskammern fortlaufend zu dem Zentrum der Spiralwand des stationären Spiralelements hin bewegt werden, während die Volumina der Kompressionskammern fortlaufend kleiner werden, wodurch ein in die Räume angesaugtes Gas verdichtet wird. Jeder Kompressionskammer sind Verbindungsöffnungseinrichtungen zugeordnet, um die Kammern mit einer Förderkammer zu verbinden, in der ein Förderdruck aufgebaut ist. Jeder Verbindungsöffnungseinrichtung einer jeden Kompressionskammer ist ein Ventilelement zugeordnet, das so ausgebildet ist, daß die zugehörige Verbindungsöffnungseinrichtung aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der Kompressionskammer und der Förderkammer geöffnet wird. Die Verbindungsöffnungseinrichtung, die jeder Kompressionskammer zugeordnet ist, hat eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen, die in der Stirnplatte des stationären Spiralelements ausgebildet sind. Die in Größen des Spiralwinkels Δ λ ausgedrückte Entfernung zwischen den Verbindungsöffnungen, die aufeinanderfolgend zur gleichen Kompressionskammer entsprechend der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements geöffnet werden, ist so festgelegt, daß sie der folgenden Bedingung genügt:

0 ≦ωτ Δ λ ≦ωτ 2π

In Betrieb wird das Umlaufspiralelement von einem Antriebsmotor derart angetrieben, daß es eine Umlaufbewegung bezüglich des stationären Spiralelements ausführt, wodurch das Volumen jeder Kompressionskammer fortlaufend abnimmt und das Gas, das in die Kompressionskammer angesaugt worden ist, verdichtet wird. Das komprimierte Gas wird abschließend in die Förderkammer abgeführt. Wenn der Druck des Gases in der Kompressionskammer zum Ansteigen über den Druck in der Förderkammer neigt, wird das Ventil geöffnet, so daß das Gas in die Förderkammer ohne vorherige Kompression auf das Endvolumen freigegeben wird, wodurch der Druck in der Kompressionskammer verringert wird, die sich noch in einer Zwischenphase des Kompressionshubs befindet. Da die Verbindungsöffnungen für ein Öffnen und Schließen durch ein einziges, eine Überkompression verhinderndes Ventil vorgesehen sind, kann der Druckfreigabevorgang zum Absenken des Drucks in der Kompressionskammer dadurch bewirkt werden, daß das die Überkompression verhindernde Ventil immer dann arbeitet, wenn der Druck in der Kompressionskammer den Druck in der Förderkammer während eines jeden Hubs der Kompressionskammer vom Abschluß der Ansaugung bis zum Abschluß der Kompression überschritten hat.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Kompressor in Spiralbauweise,

Fig. 2 in einer Einzelheit im Schnitt ein die Überkompression verhinderndes Ventil des Kompressors von Fig. 1,

Fig. 3 in einer teilweise geschnittenen Draufsicht die Lagebeziehung zwischen den die Überkompression verhindernden Ventilen und den Spiralwänden des Umlauf- und des stationären Spiralelements,

Fig. 4A bis 4D die Spiralwände in unterschiedlichen Phasen der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements,

Fig. 5 in einer Draufsicht das Entstehen der Kompressionskammer in dem Kompressor,

Fig. 6, 7 und 8 in Diagrammen die Beziehung zwischen dem Spiralwandwinkel und dem Druck,

Fig. 9 und 10 in teilweise geschnittenen Draufsichten weitere Ausführungsformen mit drei Verbindungsöffnungen und

Fig. 11 in einer Schnittansicht ein die Überkompression verhinderndes Ventil, wie es bei den Ausführungsformen von Fig. 9 und 10 verwendet ist.

Anhand der Fig. 1 bis 8 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Der in Fig. 1 gezeigte Kompressor in Spiralbauweise hat ein dichtes Gehäuse 3, welches einen Kompressorabschnitt 1 und einen Motorabschnitt 2 aufnimmt, die im oberen bzw. unteren Abschnitt des Raums im Gehäuse 3 angeordnet sind. Der Kompressorabschnitt 1 wird hauptsächlich von einem Umlaufspiralelement 4 und einem stationären Spiralelement 5 gebildet, das mit dem Umlaufspiralelement 4 kämmt. Der Kompressorabschnitt 1 ist beispielsweise durch Bolzen an einem Rahmen 6 befestigt, der seinerseits in dem Gehäuse 3 sitzt und daran festgelegt ist. An einem Ende einer Kurbelwelle 7 ist ein Kurbelzapfen 71 angeformt. Mit dem anderen Ende ist eine Schmierölansaugleitung 72 verbunden. Der Kurbelzapfen 71 ist in einem Umlauflager 42 aufgenommen und gehalten, das in einem Nabenanschnitt 41 vorgesehen ist, der an dem Umlaufspiralelement 4 ausgebildet ist. Die Kurbelwelle 7 ist weiterhin mit einem an ihr befestigten Ausgleichsgewicht 73 versehen. Die Kurbelwelle 7 ist drehbar an dem Rahmen 6 über Hauptlager 61 gelagert, die am Rahmen 6 befestigt sind.

Der Motorabschnitt 2 hat einen Rotor 21, der an einem unteren Teil der Kurbelwelle 7 festgelegt ist. Zwischen dem Rahmen 6 und der Rückseite der Stirnplatte 43 des Umlaufspiralelements 4 ist ein Teil 8 angeordnet, das dazu dient, eine Drehung des Umlaufspiralelements 4 um seine eigene Achse zu unterbinden, so daß das Umlaufspiralelement 4 eine Umlaufbewegung ausführt, wenn sich die Kurbelwelle 7 dreht.

Das Umlaufspiralelement 4 hat eine Wand 44, deren Form einer Spirale ähnlich ist und die an der Stirnplatte 43 ausgebildet ist. In der Stirnplatte 43 ist eine Gegendrucköffnung 45 ausgebildet, die eine Verbindung zwischen der Kompressionskammer 46 und einer Gegendruckkammer 62 herstellt. Die Stirnplatte 43 ist weiterhin mit einer Ölrückführöffnung 47 versehen, die mit ihrem einen Ende in eine weitere Kompressionskammer 48 und mit ihrem anderen Ende in einen Raum mündet, der in einer Aussparung 63 in dem Rahmen 6 ausgebildet ist.

Das stationäre Spiralelement 5 hat eine Spiralwand 52, die an der Stirnplatte 51 ausgebildet ist. Der äußerste Abschnitt der Spiralwand 52 bildet eine äußere Wand 53, in der eine Ansaugöffnung 54 ausgebildet ist, die mit einem Gasansaugrohr 30 in Verbindung steht. In der Stirnplatte 51 des stationären Spiralelements 5 ist in der Mitte der Spiralwand 52 eine Förderöffnung 55 ausgebildet, die in eine Förderkammer 31 mündet.

Der Kompressor hat ein Paar von eine Überkompression verhindernden Ventilen 100, die, wie aus Fig. 3 zu sehen ist, so angeordnet sind, daß sie den jeweiligen Kompressionskammern A und B entsprechen, die von den Spiralwänden 44 und 52 der Spiralelemente 4 und 5 gebildet werden.

Die Stirnplatte 51 des stationären Spiralelements 5 ist mit zwei Paaren von Verbindungsöffnungen 101 und 102 sowie 111 und 112 versehen, wobei in Fig. 2 nur eines dieser Paare gezeigt ist. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, sind die Mündungen der Verbindungsöffnungen 101 und 102 auf der der Spiralwand 52 gegenüberliegenden Seite von einer Ventilplatte 103 abgedeckt, die ein Klappenventil sein kann. Zur Begrenzung der Verformung der Ventilplatte 103 ist eine Ventilhalteplatte 104 an ihrem Basisende mit der Stirnplatte 51 durch einen Befestigungsbolzen 105 zusammen mit der Ventilplatte 103 befestigt. Die Bodenfläche einer Ausnehmung in der Stirnplatte 51 bildet einen Ventilsitz 106. Die Bodenfläche ist feinbearbeitet, so daß ein hohes Maß an Gasdichtheit zwischem dem Ventilsitz und dem Ventilelement 103 vorhanden ist.

Fig. 3 zeigt in der Draufsicht die Position der die Überkompression verhindernden Ventile 100. Man sieht, daß die Paare von Verbindungsöffnungen 101 und 102 sowie 111 und 112 so angeordnet sind, daß sie die Überkompression über dem ganzen Bereich unterbinden können, wo die Kompressionskammer A und B gebildet werden. Die Verbindungsöffnungen 101 und 102 können fortschreitend zur Kompressionskammer A geöffnet werden, wenn die Kompressionskammer A sich entsprechend der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 4 bewegt. In gleicher Weise können die Verbindungsöffnungen 111 und 112 fortlaufend zur Kompressionskammer B geöffnet werden, wenn sich die Kammer B entsprechend der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 4 bewegt. Der Spiralwandwinkel zwischen den Verbindungsöffnungen 101 und 102 und der Spiralwandwinkel zwischen den Verbindungsöffnungen 111 und 112 sind jeweils durch Δ λ veranschaulicht, das so gewählt wird, daß es folgender Bedingung genügt:

0 ≦ωτ Δ λ ≦ωτ 2π

Es sollte auch folgender Bedingung genügt werden:

L + D/2 ≦λτ T,

wobei D der Durchmesser jeder Verbindungsöffnung, L der Abstand zwischen der Mitte jeder Verbindungsöffnung und einer zugehörigen Spiralwand und T die Wandstärke der Spiralwand sind.

Fig. 4A bis 4D zeigen die Beziehungen zwischen den Positionen der Kompressionskammern und den Positionen der Verbindungsöffnungen bei unterschiedlichen Winkeln oder Phasen der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 4. Bei dem Zustand von Fig. 4A steht eine Kompressionskammer 80 in Verbindung mit der Verbindungsöffnung 101, während eine weitere Kompressionskammer 90 in Verbindung mit einer weiteren Verbindungsöffnung 111 steht. Im Zustand von Fig. 4B hat das Umlaufspiralelement 4 eine Umlaufbewegung über 90° ausgehend von der Position von Fig. 4A ausgeführt. In diesem Zustand stehen jedoch die Kompressionskammern 80 und 90 noch in Verbindung mit den Verbindungsöffnungen 101 bzw. 111, wie dies auch im Zustand von Fig. 4A der Fall war. Im Zustand von Fig. 4C hat das Umlaufspiralelement gegenüber dem Zustand von Fig. 4A eine Umlaufbewegung über 180° ausgeführt. Die Kompressionskammer 80 steht noch in Verbindung mit der Verbindungsöffnung 101, während die Kompressionskammer 90 sowohl mit den Verbindungsöffnungen 111 als auch 102 in Verbindung steht. Im Zustand von Fig. 4D hat das Umlaufspiralelement ausgehend vom Zustand von Fig. 4A eine Umlaufbewegung über 270° ausgeführt. Die Kompressionskammer 80 steht nun in Verbindung mit den Verbindungsöffnungen 111 und 102, während die Kompressionskammer 90 in Verbindung mit der Verbindungsöffnung 112 steht.

Somit werden beide Kompressionskammern 80 und 90 in Verbindung mit wenigstens einer der Verbindungsöffnungen im wesentlichen über den gesamten Kompressionshub gehalten. Die die Überkompression verhindernden Ventile wirken somit so, daß das komprimierte Gas immer dann freigegeben wird, wenn der Druck in den Kompressionskammern über den Wert des Drucks in der Förderkammer ansteigt.

Der in Fig. 1 gezeigte Motorabschnitt 2 hat einen Stator 22, der durch Bolzen 65 an den Schenkeln 64 des Rahmens 6 befestigt ist. In der Kurbelwelle 7 ist ein Schmierölzuführungskanal 74 ausgebildet, der an seinem unteren Ende mit dem Schmierölansaugrohr 72 in Verbindung steht und sich in Axialrichtung des Kurbelwelle 7 erstreckt. Der Schmierölzuführungskanal 74 steht mit Schmierölöffnungen 75 und 76 in Verbindung, die in die Hauptlager 61 münden. Das untere Ende des Schmierölansaugrohrs 72 ist in einen Schmierölspeicher 32 im Bodenabschnitt des Gehäuses 3 eingetaucht, so daß vom Schmierölspeicher 32 hochgesaugtes Schmieröl den Hauptlagern 61 über die Schmierölansaugleitung 72, den Schmierölzuführungskanal 74 und die Schmierölöffnungen 75 und 76 für deren Schmierung zugeführt wird.

An dem Gehäuse 3 ist ein Förderrohr 33 befestigt, das sich zu einer Motorkammer 34 im Gehäuse 3 durch dessen Wand erstreckt. Zwischen der Förderkammer 31 und der Motorkammer 34 ist ein Verbindungskanal 9 vorgesehen. Längs der Innenumfangsfläche des Gehäuses 3 ist ein Führungskanal 10 ausgebildet, der sich nach unten erstreckt und in einem Bereich in der Nähe des oberen Endabschnitts 20 der Wicklung des Motorabschnitts 2 mündet.

Das Förderrohr 33 des Spiralkompressors ist mit der Einlaßseite eines Kondensators 200 verbunden, der auf seiner Auslaßseite an ein Expansionsventil 300 angeschlossen ist. Die Auslaßseite des Expansionsventils 300 ist mit der Einlaßseite eines Verdampfers 400 verbunden, an dessen Auslaßseite über eine Leitung 500 das erwähnte Gasansaugrohr 30 des Spiralkompressors angeschlossen ist. Der Spiralkompressor, der Kondensator 200 und das Expansionsventil 300 sowie der Verdampfer 400 sind zur Bildung eines Kältekreislaufs zusammengeschlossen.

Wenn der Motor 2 läuft, dreht sich die Kurbelwelle 7, so daß das Umlaufspiralelement 4 eine Umlaufbewegung bezüglich des stationären Spiralelements 5 ausführt, da das zuvor erwähnte Element 8 verhindert, daß sich das Umlaufspiralelement 4 um seine eigene Achse dreht. Als Folge bewegen sich die von den Spiralwänden 44 und 52 und den Stirnplatten 43 und 51 der beiden Spiralelemente 4 und 5 begrenzten Kompressionskammern fortlaufend zur Mitte des Kompressors, wobei ihre Volumina abnehmen, so daß das in die Kompressionskammern angesaugte Gas fortlaufend verdichtet und in die Förderkammer 31 durch die Förderöffnung 55 gefördert wird.

Auf der Rückseite des Umlaufspiralelements 4 ist die Gegendruckkammer 62 ausgebildet. Ein Teil des Gases wird während seiner Kompression in die Gegendruckkammer 62 über eine Gegendrucköffnung 45 eingeführt, so daß in der Gegendruckkammer 62 ein Zwischendruck aufrechterhalten wird, der höher als der Ansaugdruck, jedoch niedriger als der Förderdruck ist. Dieser Zwischendruck erzeugt eine regulierte Kraft, mit der das Umfangspiralelement 4 gegen das stationäre Spiralelement 5 gedrückt wird, so daß die axialen Stirnflächen der Spiralwände der beiden Spiralelemente 4 und 5 in Gleitdichtungseingriff mit den gegenüberliegenden Stirnplatten stehen, wodurch eine Gasleckage verhindert und somit ein hoher Arbeitswirkungsgrad des Spiralkompressors gewährleistet wird. Das Gas mit dem hohen Druck und der hohen Temperatur wird über das Förderrohr 33 abgeführt und dann in dem Kondensator 200 verflüssigt, anschließend im Expansionsventil 300 auf einen niedrigeren Druck entspannt und durch Wärmeaustausch, beispielsweise mit Luft im Verdampfer 4, verdampft und erwärmt. Das erwärmte Gas wird dann in den Spiralkompressor über die Leitung 500 und das Ansaugrohr 30 angesaugt. Während des Betriebs des Kompressors wirkt der Förderdruck auf das Schmieröl im Ölspeicher 32 am Boden des dicht abgeschlossenen Gehäuses 3, so daß es durch das Schmierölansaugrohr 72 und den Ölzuführungskanal 74 aufgrund des Unterschieds zwischen dem Förderdruck und dem Zwischendruck in der Gegendruckkammer 62 zugeführt wird. Das Schmieröl wird in der Gegendruckkammer 62 gesammelt und in die Kompressionskammern durch die Gegendrucköffnung 45 und die Ölrückführöffnung 47 geführt. Das Öl wird dann zusammen mit dem komprimierten Gas in die Förderkammer 31 gebracht. Das komprimierte Gas, in dem das Schmieröl suspendiert ist, wird dann in die Motorkammer 34 durch den Kanal 9 und längs des Führungskanals 10 eingeführt. Das komprimierte Gas trifft auf seinem Weg zum Förderrohr 33 mit verschiedenen Bauteilen des Motorabschnitts 2 zusammen, so daß das Schmieröl aus dem komprimierten Gas abgetrennt und im Ölspeicher 32 gesammelt wird.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, arbeiten die Spiralwand 44 des Umlaufspiralelements 4 und die Spiralwand 52 des stationären Spiralelements 5 so zusammen, daß dazwischen Kompressionskammern 46, 461, 48 und 481 gebildet werden. Diese Kompressionskammern bewegen sich fortlaufend zur Mitte des Kompressors, wobei ihre Volumina abnehmen. Es wird insbesondere die Kompressionskammer 46 zwischen den Punkten λ A und λ A-2π gebildet, wo die beiden Spiralwände miteinander in Berührung stehen. In gleicher Weise wird die Kompressionskammer 48 zwischen den Punkten λ B und λ B-2π gebildet, wo die beiden Spiralwände miteinander in Kontakt stehen. Die Kompressionskammern 46 und 48 bilden ein Paar. Ein weiteres Paar von Kompressionskammern 461 bzw. 481 wird zwischen den Punkten<ze λ A-2π und λ A-4π sowie zwischen den Punkten λ B-2π und g B-4π gebildet, wo die beiden Spiralwände miteinander auf der Seite innerhalb der Kompressionskammern 46 und 48 in Kontakt stehen. Die Beziehung zwischen der Position des Punkts, wo die beiden Spiralwände einander berühren, und dem Druck in der Kompressionskammer ist in Fig. 6 gezeigt. Man sieht, daß das Verhältnis zwischen dem Ansaugdruck und dem Druck, der erhalten wird, wenn die Kompression abgeschlossen ist, konstant ist, und daß dieses Verhältnis von Faktoren bestimmt wird, beispielsweise der Anzahl der Spiralwandwindungen, der Gestalt der Wände usw. Wenn der Druck in der Förderkammer, der durch die Linie C-D in Fig. 6 dargestellt ist, unter dem Wert des Endkompressionsdrucks liegt, der durch B angegeben ist, verrichtet der Kompressor unnötige Arbeit, d. h. es liegt eine Überkompression vor, was durch den schraffierten Bereich gekennzeichnet ist, der von den Punkten B, C und D begrenzt ist, wodurch sich ein Verlust an Antriebsleistung ergibt. Diese Überkompression erfolgt insbesondere, wenn der Kompressor in einen Zustand anläuft, in welchem der Druck auf der Hochdruckseite des Kompressors im Gleichgewicht mit dem Druck auf der Niederdruckseite steht, was durch die Linie E veranschaulicht ist.

Das die Überkompression verhindernde Ventil 100 arbeitet zur Unterbindung einer solchen Überkompression in dem Kompressor in Spiralbauweise, was sich aus den folgenden Erläuterungen ergibt:

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Spiralwandwinkel und dem Druck in der Kompressionkammer, der erhalten wird, wenn der Spiralwandwinkel der beiden Spiralwände 2π oder größer ist. Es sei hier angenommen, daß das die Überkompression verhindernde Ventil 100 eine Verbindungsöffnung hat, die im Bereich zwischen einem Punkt A und einem Punkt F in Fig. 7 öffnet, d. h. in einem Winkelbereich von 2π zwischen dem Punkt λ A und λ A-2π in Fig. 5. Das der Kompression unterworfene Gas wird dann von der Kompressionskammer in die Förderkammer über dem Winkelbereich zwischen einem Punkt D, an welchem der Druck in der Kompressionskammer den Wert des Drucks in der Förderkammer erreicht, und einem Punkt F freigegeben, in dem die Verbindungsöffnung geschlossen ist. Danach steigt der Druck in der Kompressionskammer längs einer Kurve F-G. Nimmt man an, daß die Verbindungsöffnung des die Überkompression verhindernden Ventils so positioniert ist, daß sie, wie aus Fig. 8 hervorgeht, den Bereich zwischen einem Punkt I und einem Punkt H öffnet, wobei dieser Bereich den Kompressionsabschlußpunkt λ d aufweist und sich über 2π erstreckt, und zwar wenn der Druck in der Förderkammer sich auf einem durch die Linie C-D gezeigten Wert befindet, steigt der Druck in der Kompressionskammer längs einer Kurve A-J-D. Im Punkt D wird der Druckanstieg in der Kompressionskammer unterbrochen, um die Überkompression zu unterbinden, was durch eine schraffierte Fläche veranschaulicht ist, die durch die Punkte D, B und C veranschaulicht ist. Wenn, ebenfalls unter Bezugnahme auf Fig. 8, der Wert des Drucks E in der Förderkammer unter einem Druck J liegt, der erreicht wird, wenn die Verbindungsöffnung sich zu öffnen beginnt, steigt der Druck in der Kompressionskammer vom Punkt A zum Punkt J, wo die die Überkompression verhindernden Ventile die Verbindungsöffnungen aufmachen, um so das Gas in die Förderkammer freizulassen. Danach wird der Druck in der Kompressionskammer auf dem gleichen Wert wie der Druck E in der Förderkammer gehalten, was durch die Linie I-H veranschaulicht ist. Erfindungsgemäß ist nun eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen, die bei verschiedenen Spiralwandwinkeln geöffnet sind, so kombiniert, daß eine Überkompression für den gesamten Kompressionshub einer jeden Kompressionskammer verhindert wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist jedem Klappen- bzw. Voreilventil ein Paar von Verbindungsöffnungen zugeordnet. Diese Anzahl von Verbindungsöffnungen dient jedoch nur der Darstellung. Die Anzahl der Verbindungsöffnungen, die jedem Klappenventil zugeordnet wird, kann vorzugsweise zwischen zwei und vier variieren. Die bevorzugte Anzahl von Verbindungsöffnungen liegt bei zwei im Falle eines für Luftklimatisierungszwecke verwendeten Kompressors und bei drei bis vier für einen in einer Kältemaschine eingesetzten Kompressor.

Die Anzahl der Positionen der Verbindungsöffnungen müssen so gewählt werden, daß sie der folgenden Bedingung genügen:

0 ≦ωτ λ (i + 1) - λ i = Δ λ ≦ωτ 2π

wobei λ die Positionen der Verbindungsöffnungen (i=1 bis n; i=1 stellt die Verbindungsöffnung dar, die in die Kompressionskammer mit Minimalvolumen mündet) und Δ λ die Entfernung in Größen des Spiralwandwinkels zwischen den Verbindungsöffnungen ist, die nacheinander geöffnet werden.

Bevorzugt wird, daß der Durchmesser der Vebindungsöffnung kleiner als die Wandstärke der Spiralwand ist, so daß charakteristische Zeitverzögerungen zwischen dem Moment, in dem die Verbindungsöffnung sich zu öffnen beginnt, und in dem Moment, in dem die Verbindungsöffnung vollständig geöffnet ist, und zwischen dem Moment, in welchem die Verbindungsöffnung zu schließen beginnt, und dem Moment, in welchem die Verbindungsöffnung vollständig geschlossen ist, vorhanden sind. Die Zeitverzögerung in Größen des Spiralwandwinkels g wird durch folgende Gleichung ausgedrückt: wobei L der Abstand zwischen der Mitte der Verbindungsöffnung und der stärkenmäßigen Mitte der Spiralwand, D der Durchmesser der Verbindungsöffnung und A der Radius des Grundkreises der Evolventenkurve der Spiralwand ist. Wie insbesondere aus Fig. 8 zu ersehen ist, beginnt die Verbindungsöffnung, die in den Bereich zwischen den Punkten H und I mündet, sich tatsächlich im Punkt I zu öffnen und ist im Punkt I′ vollständig geöffnet. Diese Verbindungsöffnung beginnt sich dann im Punkt H′ zu schließen und ist im Punkt H vollständig geschlossen.

Dieser Vorteil macht sind insbesondere bei Kompressoren der Zwischendruckbauweise merkbar, bei denen der Druck des Gases, das komprimiert wird, an der Rückseite des Umlaufspiralelements anliegt, damit dieses gegen das stationäre Spiralelement während des gesamten Kompressorbetriebs gedrückt wird. Die Gegendrucköffnung 45 zum Übertragen des Gasdrucks in die Gegendruckkammer 82 steht mit der Gegendruckkammer über 2π, bezogen auf die Dimension des Spiralwandwinkels, in Verbindung. Somit ist der in die Gegendruckkammer 62 eingeführte Druck gleich dem mittleren Wert der Drucklinie, die sich über 2π in der Dimension der Spiralwandwinkels von Fig. 7 oder von Fig. 8 erstreckt.

Nimmt man beispielsweise an, daß die Gegendrucköffnung 45 über 2π in der Dimension des Spiralwandwinkels vom Punkt A geöffnet ist, überschreitet der Druck in der Gegendruckkammer 62 den Druck in der Förderkammer in dem Zeitraum zwischen den Punkten A und D nicht, so daß der Mittelwert des Drucks in der Gegendruckkammer 62 niedriger als der Druck in der Förderkammer während dieses Zeitraums ist. Wenn nun unter Bezugnahme auf Fig. 8 der Druck in der Förderkammer unter dem durch den Punkt J angegebenen Wert liegt, überschreitet der Druck in der Gegendruckkammer 62 den Druck in der Förderkammer während des Zeitraums zwischen dem Punkt A und dem Punkt J. Während dieses Zeitraums ist deshalb der Mittelwert des Drucks in der Gegendruckkammer 62 gleich dem Druck in der Förderkammer oder höher als dieser.

Der Druckanstieg in der Gegendruckkammer 62 auf einen Wert, der dem Druck in der Förderkammer gleich oder größer als dieser Druck ist, würde es unmöglich machen, verschiedene, Schmierung erfordernde Teile zu schmieren, da, wie vorher erläutert, das Schmieröl durch die Differenz zwischen dem Förderdruck, der auf das Schmieröl in dem Schmierölspeicher 32 wirkt, und dem Druck in der Gegendruckkammer 62 zugeführt wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wurden somit zwei Fälle erläutert, nämlich ein erster Fall, in welchem der Druck in der Förderkammer sich auf dem durch C veranschaulichten Wert befindet, und ein zweiter Fall, in welchem der Druck in der Förderkammer sich auf einem Wert befindet, der durch die Linie E veranschaulicht ist. Die Tatsache, daß der Druck in der Förderkammer sich auf dem Wert E befindet, bedeutet, daß der Förderdruck des Kompressors in Spiralbauweise sich im wesentlichen auf dem gleichen Wert wie der Ansaugdruck des Kompressors in Spiralbauweise befindet. Ein solcher Zustand ist jedoch ziemlich unwahrscheinlich. Der Förderdruck ist nach Möglichkeit mehr oder weniger größer als der Ansaugdruck, so daß der Druck in der Gegendruckkammer 62 auf einem Wert gehalten wird, der zwischen dem Ansaugdruck und dem Förderdruck liegt. Die Differenz zwischen dem Druck in der Gegendruckkammer 62 und dem Förderdruck ist dann hoch genug, um eine zuverlässige Schmierölzuführung zu gewährleisten. Wenn jedoch die Anordnung so getroffen ist, daß die Verbindungsöffnung sich im Punkt λ _I in der Dimension des Spiralwandwinkels zu öffnen beginnt, führt der Kompressor unvermeidbar während des Zeitraums zwischen den Punkten g S uns λ _I eine Überkompression aus, was zur Folge hat, daß die durch den schraffierten Bereich dargestellte Energie, der durch die Pumpe A, J und I begrenzt ist, verschwendet wird.

Um die Überkompression in dem Zeitraum zwischen den Punkten λ S und λ _I zu verhindern, wird eine weitere Verbindungsöffnung an einer solchen Stelle vorgesehen, daß diese Verbindungsöffnung sich im Punkt A zu öffnen beginnt, was in der Dimension des Spiralwandwinkels durch λ S ausgedrückt wird, und bei der die Ansaugung des Gases abgeschlossen ist. Die Entfernung zwischen den Verbindungsöffnungen, die nacheinander entsprechend der Bewegung der gleichen Kompressionskammer geöffnet werden, sollte so festgelegt werden, daß sie der folgenden Bedingung genügt:

0 ≦ωτ Δ λ ≦ωτ 2π

wobei Δ λ die Entfernung in der Dimension des Spiralwandwinkels ist.

Bei dieser Anordnung ist es möglich, jede Überkompression nicht nur dann zu verhindern, wenn der Kompressor anläuft, sondern auch, wenn der Kompressor im Dauerbereich arbeitet.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform sind drei Verbindungsöffnungen 151, 152 und 153 für jedes eine Überkompression verhindernde Ventil 150 vorgesehen. Der Durchmesser jeder Verbindungsöffnung ist kleiner als die Wandstärke einer jeden Spiralwand 44 bzw. 52. Zwei Öffnungen 152 und 153 der drei Verbindungsöffnungen sind innerhalb der Bereiche vorgesehen die kleiner sind als die Punkte λ dA und λ dB in der Dimension des Spiralwandwinkels, wobei die Punkte λ dA und λ dB die Punkte darstellen, an denen die beiden Spiralwände miteinander in Kontakt stehen, wenn die Kompression in den jeweiligen Kompressionskammern abgeschlossen ist. Wie im Falle der Anordnung von Fig. 2 hat jedes eine Überkompression verhindernde Ventil 150 dieser Ausführungsform ein Klappenventil und eine Ventilhalteeinrichtung, die zusammen an der Stirnplatte 51 des stationären Spiralelements 5 durch einen Befestigungsbolzen 154 festgelegt sind.

Die andere Verbindungsöffnung 151 der drei Verbindungsöffnungen ist an einer Position mit einem größeren Spiralwandwinkel vorgesehen und liegt näher an dem Befestigungsbolzen 154 des die Überkompression verhindernden Ventils 150 verglichen mit den anderen Öffnungen. Die vorher erwähnten beiden Verbindungsöffnungen sind nämlich näher am freien Ende des Klappenventils des die Überkompression verhindernden Ventils 150 vorgesehen.

Das Paar von die Überkompression verhindernden Ventilen 150 ist an einem Paar von Ventilsitzen angebracht, die parallel zueinander in der Oberseite der Stirnplatte des stationären Spiralelements 5 ausgebildet sind und feinendbearbeitete Oberflächen aufweisen. Die parallele Anordnung der Ventilsitze erleichtert die Bearbeitung.

Die Ventilsitze sind vorzugsweise in einer Bodenfläche einer Ausnehmung wie im Falle der anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform ausgebildet, so daß die Länge einer jeden Verbindungsöffnung verringert ist, um die Nähe des die Verbindungsöffnung füllenden Gases auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch jeder ungünstige Effekt auf ein Minimum zurückgeführt wird, der sonst durch Expansion des Gases verursacht werden könnte, das in der Verbindungsöffnung verbleibt.

Die Anordnung, bei der die Verbindungsöffnung 151 in der Position mit dem größeren Spiralwandwinkel sich in der Nähe des Bolzens 154 befindet, gewährleistet in vorteilhafter Weise ein einwandfreies Arbeiten des Klappenventils, da die Bewegung jedes der Klappenventile vom festgelegten Ende zum freien Ende hin fortschreitet.

Bei dieser Ausführungsform sind die drei Verbindungsöffnungen 151, 152 und 153, denen jeweils ein die Überkompression verhinderndes Ventil 150 zugeordnet ist, nicht auf einer gemeinsamen geraden Linie, sondern auf einer gekrümmten Linie angeordnet. Dies muß jedoch nicht ausschließlich so sein. Die Öffnungen können auch auf einer geraden Linie angeordnet werden. Eine solche Anordnung ermöglicht die Verringerung der Breite des Klappenventils.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der drei Verbindungsöffnungen 155, 156 und 157, denen jeweils ein die Überkompression verhinderndes Ventil zugeordnet ist, auf einer gemeinsamen geraden Linie derart angeordnet sind, daß jede Verbindungsöffnung mit einem Abschnitt der Spiralwand des stationären Spiralelements 5, gesehen in der Draufsicht, in Berührung steht. Für diesen Zweck werden der Durchmesser D jeder Verbindungsöffnung, der Abstand L zwischen jeder Öffnung und der Spiralwand und die Stärke T der Spiralwand so gewählt, daß sie folgender Bedingung genügen:

Wenn der Durchmesser D, der Abstand L und die Stärke T so gewählt werden, daß sie der Bedingung entsprechen, befinden sich die Verbindungsöffnungen etwas im Abstand von der Spiralwand 52 des stationären Spiralelements 5, so daß die spanabhebende Bearbeitung zur Herstellung der Verbindungsöffnungen erleichtert wird. In diesem Fall ist es möglich, daß eine Verbindungsöffnung in eine Kompressionskammer mündet, die sich auf der Vorderseite eines sich bewegenden Raums befindet. In einem solchen Fall verhindert die Verbindungsöffnung, die in die vorlaufende Kompressionskammer mündet, in wirksamer Weise jede Überkompression in dem Fall, daß eine Überkompression in der vorliegenden Kompressionskammer auftreten möchte.

Bei der Ausführungsform von Fig. 11 ist ein Ventilsitz 120 an einem Vorsprung an der Oberfläche der Stirnplatte 51 des stationären Spiralelements 5 ausgebildet. Diese Anordnung erleichtert eine einfachere Feinbearbeitung der Oberfläche des Ventilsitzes 120.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß der Kompressor in Spiralbauweise gemäß der Erfindung in der Lage ist, jede Überkompression auszuschließen, die auftreten könnte, wenn der Kompressor bei einem Verdichtungsverhältnis arbeitet, das kleiner als ein vorgegebener Wert ist, wodurch der Verlust der Antriebsleistung auf ein Minimum reduziert wird und dementsprechend die Leistung des Kompressors verbessert ist. Da weiterhin eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen für jedes die Überkompression verhindernde Ventil vorgesehen ist, ist es möglich, nicht nur den Verlust an Energie aufgrund einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit zu verringern, sondern auch die Überkompression über den gesamten Zeitraum des Kompressionshubs einer jeden Kompressionskammer zu unterbinden. Es ist auch sichergestellt, daß die die Überkompression verhindernde Einrichtung bei dem Spiralkompressor nach der Erfindung auch bei Spiralkompressoren in Zwischendruckbauweise anwendbar ist, bei denen die Zuführung des Schmieröls durch eine Druckdifferenz bewirkt wird, die in dem Kompressor herbeigeführt wird. In diesem Fall kann eine Druckdifferenz, die groß genug ist, um eine sichere Schmierölzuführung zu gewährleisten, aufrecht erhalten werden, so daß der Kompressor sicher über eine breitere Betriebskennlinie arbeiten kann.

Claims

1. Kompressor in Spiralbauweise mit einem Umlaufspiralelement (4) und einem stationären Spiralelement (5), wobei jedes Spiralelement (4, 5) eine Stirnplatte (43, 51) und eine im wesentlichen spiralförmige Wand (44, 52) aufweist, die im wesentlichen senkrecht von der einen Seite der Stirnplatte (43, 51) absteht, die Spiralelemente (4, 5) mit ihren Spiralwänden (44, 52) so ineinandergreifend angeordnet sind, daß eine Vielzahl von geschlossenen Räumen zwischen den Spiralwänden (46, 52) und den Stirnplatten (43, 51) zur Schaffung von Kompressionskammern (46, 48; A, B; 80, 90; 461, 481) gebildet werden, und das Umlaufspiralelement (4) für die Ausführung einer Umlaufbewegung bezüglich des stationären Spiralelements (5) vorgesehen ist, so daß die Kompressionskammern fortschreitend zur Mitte der Spiralwand (52) des stationären Spiralelements (5) hin bewegt werden, während die Volumina der Kompressionskammern fortschreitend kleiner werden, wodurch ein in die Räume angesaugtes Gas verdichtet wird, mit ihrer Kompressionskammer zugeordneten Verbindungsöffnungseinrichtungen, um diese mit einer Förderkammer (31) in Verbindung zu setzen, in der ein Förderdruck aufgebaut wird, und mit einem jeder Verbindungsöffnungseinrichtung jeder Kompressionskammer zugeordneten Ventilelement (100, 150), das die zugeordneten Verbindungsöffnungseinrichtungen aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der Kompressionskammer und der Förderkammer öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß die jeder Kompressionskammer (46, 48; A, B; 80, 90; 461, 462) zugeordnete Verbindungsöffnungseinrichtung eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen (101, 102; 111, 112; 151, 152, 153; 155, 156, 157) in der Stirnplatte (51) des stationären Spiralelements (5) aufweist und daß der Winkelabstand ausgedrückt in Größen des Spiralwinkels (Δ λ) zwischen den Verbindungsöffnungen, die aufeinanderfolgend gegenüber der gleichen Kompressionskammer entsprechend der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements (4) geöffnet werden, so festgelegt ist, daß er der folgenden Bedingung genügt: 0 ≦ωτ Δ λ ≦ωτ 2π

2. Kompressor in Spiralbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen (155, 156, 157), die jeder Kompressionskammer zugeordnet sind, auf einer im wesentlichen geraden Linie angeordnet sind.

3. Kompressor in Spiralbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ventilelement (100, 150) ein Klappenventil ist, das mit einem Ventilhalteteil (104) versehen ist und auf der Seite der Stirnplatte (51) des stationären Spiralelements (5) angeordnet ist, die an die Förderkammer (31) angrenzt.

4. Kompressor in Spiralbauweise nach Anspruch 1 speziell für den Einsatz in einer Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, daß als jeder Kompressionskammer (46, 47; A, B; 80, 90) zugeordnete Verbindungsöffnungseinrichtungen zwei Verbindungsöffnungen (101, 102; 111, 112) vorgesehen sind.

5. Kompressor in Spiralbauweise nach Anspruch 1 speziell für den Einsatz in einer Kältemaschine, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kompressionskammer drei oder vier Verbindungsöffnungen (151, 152, 153; 155, 156, 157) zugeordnet sind.