DE4231001C2 - Spiralrotationskolbenmaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

In den letzten Jahren ist das Bedürfnis nach einem Her­ stellungsverfahren für Spiralrotationskolbenmaschinen mit er­ höhter Bearbeitungsgenauigkeit und verringerter Bearbeitungs­ zeit gewachsen.

Fig. 6 zeigt einen Spiralkompressor als eine Art der Spiralrotationskolbenmaschine. Um die erforderliche Festigkeit zu erhalten, ist ein Spiralelement 11 des Spiralkompressors im allgemeinen aus Gußeisen oder -stahl. Um die erforderliche Präzision sicherzustellen, erfolgt die Herstellung im we­ sentlichen durch Fräsen (spanabhebende Bearbeitung) mit einer Stirnfräse. Häufig werden Spiralelemente unter Verwendung von Sphäroidal-Graphitguß und durch Fräsen mit einer zur ab­ schließenden Bearbeitung verwendeten Stirnfräse hergestellt.

Ein Spiralelement hat eine komplizierte Form, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Es muß mit hoher Präzision her­ gestellt werden. Es dauert daher gewöhnlich sehr lange, um es zu bearbeiten, beispielsweise mit einer Stirnfräse zu fräsen. Zur Reduzierung der Herstellungskosten einer Spiralrotationskolbenmaschine ist es daher nötig, Spiralelemenete preisgünstig herzustellen.

Zur Verkürzung der Herstellungszeit eines Spiralelements ist es erforderlich, den Spanabhub bei der Bearbeitung etwa mit einer Stirnfräse zu steigern. Der Spanabhub kann durch Steigern der Spanabhubmenge pro Umdrehung des Werkzeugs und/oder durch Erhöhen der Drehzahl des Werkzeugs gesteigert werden.

Da die Erhöhung der Spanabhubmenge pro Umdrehung eines Werkzeugs, wie etwa einer Stirnfräse im allgemeinen mit einer Verminderung der Bearbeitungsgenauigkeit einhergeht, kann die Spanabhubmenge bei der Herstellung von Spiralelementen nicht we­ sentlich gesteigert werden. Spiralelemente erfordern nämlich eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Bei der Herstellung von Spi­ ralelementen muß daher die Drehzahl eines spanabhebenden Werk­ zeugs, wie etwa einer Stirnfräse erhöht werden, um die für die Herstellung eines Spiralelementes erforderliche Zeit und die dafür erforderliche Anzahl der Bearbeitungsschritte zu ver­ ringern. Wenn jedoch ein spanabhebendes Werkzeug mit erhöhter Drehzahl betrieben wird, verringert sich die Standzeit des Werkzeugs. Die spanabhebenden Werkzeuge müssen daher während der Herstellung von Spiralelementen gewechselt werden, wodurch sich die Bearbeitungszeit verlängert und die Zahl der Bearbei­ tungsschritte steigt. Es ergibt sich eine geringe Produk­ tivität. In der Praxis wird ein geeigneter Kompromiß zwischen der Bearbeitungsgenauigkeit und der für die Herstellung eines Spiralelementes erforderlichen Zeit zur Verringerung der Her­ stellungskosten des Spiralelementes angestrebt.

Wird Guß zur Herstellung von Spiralelementen verwendet, sind die für die abschließende Bearbeitung eines Spiralelementes erforderliche Zeit und die dafür erforderlichen Bearbeitungs­ schritte maßgebend, weshalb die Produktivität gering ist. Im allgemeinen ist ein wohlausgeglichenes Verhältnis bei der Bearbeitung im Hinblick auf die Bearbeitungsgenauigkeit, die Bearbeitungsdauer und die Spanabhubmenge wichtig, um die Her­ stellungskosten eines Spiralelementes zu senken.

Die Erfindung geht von der Lehre der DE 38 31 337 A1 aus, in der das Herstellen von aus einer Grundplatte und einer Spiralwand gebildeten Spiralelementen für Spiralrotationskolbenmaschinen durch Gießen und nachfolgendes Fräsen erwähnt wird. Ein Nachteil besteht dabei im Auftreten von Welligkeiten der gefrästen Oberflächen. Solche Spiralelemente müssen mit einer hohen Bearbeitungspräzision hergestellt werden, jedoch steht das Auftreten von Welligkeiten dieser Präzision entgegen.

Aus der Druckschrift "Die Fähigkeit zur eutektischen Graphitisierung als wichtige Eigenschaft der Gußeisenschmelze" von Marincek, B., in Gießerei 1984, Nr. 7, Seite 269 bis 273, ist eutektischer Graphitguß als Gußmaterial bekannt.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Spiralrotationskolbenmaschine mit einem Spiralelement und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, bei der bzw. dem sowohl eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit als auch eine Verkürzung der Herstellungsschritte zur Verringerung der Kosten bei der Herstellung erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Spiralrotationsmaschine nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Herstellen einer Spiralrotationskolbenmaschine nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Maßnahmen nach Anspruch 1 bzw. nach Anspruch 5 machen es möglich, eine unten näher erläuterte Spiralrotationskolbenmaschine zu erhalten.

Fig. 1 zeigt in einem Vertikalschnitt die Struktur eines Spiralelementes 1 aus eutektischem Graphitguß mit einer Grund­ platte 1 und einer sich von der Grundplatte 1 erhebenden Spiralwand 2.

Im allgemeinen ist Graphitguß wegen feiner gleichmäßiger Verteilung der Graphitpartikel gut fräsbar. Wegen seiner guten Fräsbarkeit wird eutektischer Graphitguß weit verbreitet zur Herstellung der meisten Zylinder von Rotationskolbenmaschinen verwendet. An den Grenzen 4 (dunkle oder schwarze Abschnitte) der eutektischen Zelle lagert sich sehr hartes Perlit ab. Beim Fräsen hauptsächlich mit einer Stirnfräse treten daher wegen eines Härteunterschiedes zwischen dem Perlit und anderen Abschnitten 3 Welligkeiten auf, die keine große Bearbeitungsgenauigkeit erlauben. Gemäß der Erfindung wird eu­ tektischer Graphitguß verwendet, bei dem die durchschnittliche Größe der größten eutektischen Zelle nicht mehr als 1/4 der Höhe des Ansatzes des Spiralelementes beträgt. Die durch die strukturellen Härteunterschiede in der Richtung der Höhe des Ansatzes hervorgerufenen Welligkeiten werden dadurch ge­ glättet, wodurch ein Spiralelement mit hoher Fräsgenauigkeit erhalten werden kann.

Da eutektischer Graphitguß gut mit einer Stirnfräse o. dgl. fräsbar ist, kann die Drehzahl des Fräswerkzeugs einer Stirnfräse nach der Erfindung erhöht werden. Die für den Verfahrensschritt des Fräsens erforderliche Zeit wird dadurch verkürzt, und zwar ohne wesentliche Verringerung der Standzeit des Fräswerkzeugs.

Ein Spiralelement muß hohe Festigkeit haben, weil die Spiralwand beim Einsatz in einer Spiral­ rotationskolbenmaschine hohen Drücken ausgesetzt ist. Daher lagert sich nach der Erfindung Perlit 4 (nur) in einem solchen Maße ab, daß die für die Fräsbearbeitung mit einer Stirnfräse erforderliche Fräsbarkeit nicht beeinträchtigt wird, daß aber die Festigkeit der Spiralwand erhöht wird. Genauer gesagt wird die Perlitmenge auf einen Wert in dem Bereich von 7 bis 30% eingestellt, um eine Struktur eutektischen Graphitgusses mit ausreichender Festigkeit und guter Fräsbarkeit bei der Bear­ beitung mit einer Stirnfräse o. dgl. zu erhalten.

Bei einer Spiralrotationskolbenmaschine, wie etwa einem Kompressor nach Fig. 6, liegt die Höhe der Spiralwand des Spiralelementes im allgemeinen in einem Bereich von 10 bis 30 mm. Bei solch einem Spiralelement sind besondere Bedingungen zu erfüllen, um eine Struktur des eutektischen Graphitgusses zu erhalten, bei der die durchschnittliche Größe der größten eutektischen Zelle 1/4 der Höhe der Spiralwand oder weniger be­ trägt.

Eine dieser besonderen Bedingungen ist, daß die Anteile von Kohlenstoff und Silizium in dem eutektischen Graphitguß möglichst nahe dem eutektischen Bereich sein sollen. Geeignete Anteile von Kohlenstoff und Silizium sind 2,0 bis 4,5% bzw. 1,0 bis 4%. Vorzugsweise werden 0,05 bis 1,3% Ti beigegeben, um das Wachstum der eutektischen Struktur zu fördern. Die Abmessungen der eutektischen Zellen werden wesentlich durch die Abkühl­ geschwindigkeit nach dem Gießen bestimmt. Daher ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, eine Metallgußform zur Herstellung eines Spiralelementes so schnell abzukühlen, daß die besondere Struktur eutektischen Graphitgusses erhalten wird.

Wird eine Metallgußform verwendet, kann eine einfache Gestalt, wie in Fig. 2 gezeigt, leicht erhalten werden. Eine komplizierte Gestalt nach Fig. 3 kann jedoch nicht leicht verwirklicht werden, weil eine Metallform zur thermischen De­ formierung neigt, so daß der Guß leicht innen an der Metall­ gußform anhaftet. Um dieses Problem zu lösen, wird er­ findungsgemäß bevorzugt zur Herstellung eines Spiralelementes eine wassergekühlte Metallform aus einer Kupferlegierung verwendet, die annähernde die endgültige Gestalt des Spi­ ralelementes hat. Wird eine Gußform mit annähernd der endgültigen Gestalt des Spiralelementes verwendet, muß weniger Volumen des Spiralelementwerkstoffs durch Fräsen entfernt werden, wodurch die Anzahl der Bearbeitungsschritte gesenkt ist. Da die Gra­ phitpartikel in der Struktur eutektischen Graphitgusses mit kleinen Abständen zwischen den Graphitkörnern gleichmäßig ver­ teilt sind, kann überdies die beim Fräsen mit einer Stirnfräse o. dgl. erforderliche Fräsbarkeit des Graphitgusses verbessert werden. Mithin kann ein Spiralelement schneller und mit hö­ herer Genauigkeit hergestellt werden.

Nach einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren zum Her­ stellen eines Spiralelementes wird der Spiralelementwerkstoff aus eutektischem Graphitguß, wie vorstehend erläutert, unter Verwendung einer Graphitgußform in eine der endgültigen Gestalt des Spiralelementes angenäherte Gestalt gegossen.

Nach noch einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Spiralelementes wird der Spiralelementwerkstoff aus eutektischem Graphitguß, wie vorstehend beschrieben, unter Vorgeben der chemischen Zusammensetzung und unter Verwendung einer Sandgußform vergossen.

Zur Herstellung einer Form mit der endgültigen Gestalt des Spiralelementes mehr angenäherter Gestalt kann ein Masken­ formverfahren angewendet werden.

Ferner wird nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ver­ fahren der Spiralelementwerkstoff aus eutektischem Graphitguß, wie vorstehend erläutert, unter Verwendung einer Gußform mit einer der endgültigen Gestalt des Spiralelementes angenäherten Gestalt vergossen, wobei die Form durch ein Wachsausschmelz­ verfahren hergestellt wird.

Durch Verwendung einer Gußform mit einer der endgültigen Gestalt des Spiralelementes angenäherten Gestalt kann das von dem dem Spiralelement entsprechenden Gußteil zu entfernende Volumen verringert werden, wodurch die Anzahl der Verarbeitungsschritte sinkt. Ferner sind die Graphitpartikel gleichmäßig in der Struktur des eutektischen Graphitgusses mit kleinen Abständen zwischen den Graphitpartikeln verteilt, wodurch dessen zum Frä­ sen mit einer Stirnfräse o. dgl. erforderliche Fräsbarkeit ver­ bessert werden kann. Dadurch kann ein Spiralelement schneller und mit höherer Genauigkeit hergestellt werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Ansatzes eines Spiralelementes nach einer Ausführungsform der Er­ findung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Gußrohlings, aus dem ein Spiralelement gemacht wird,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Spiralelementes nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines unter Ver­ wendung einer Gußform aus einer Kupferlegierung oder Graphit hergestellten Spiralelementes,

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines unter Ver­ wendung einer Sandgußform hergestellten Spiral­ elementes, wobei die eutektische Struktur des Spi­ ralelementes durch Vorgeben der chemischen Zusam­ mensetzung erhalten worden ist, und

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Spiralrotationskolbenmaschine.

Zunächst wird der Aufbau und die Betriebsweise des Spiralkompressors nach Fig. 6 erläutert. Gemäß Fig. 6 um­ schließt ein hermetisches Gehäuse 12 ein feststehendes Spiral­ element 11a, ein kreisendes Spiralelement 11b, eine Kurbelwelle 13, einen Rotor 15 einer elektrischen Antriebseinheit sowie einen Stator 16. Das feststehende und das kreisende Spiral­ element 11a und 11b weisen jeweils eine Grundplatte 1a bzw. 1b und eine Spiralwand 2a bzw. 2b auf.

Der so aufgebaute Spiralkompressor arbeitet als Kältemitelkompressor folgender­ maßen. Die Kurbelwelle 13 wird durch Drehung des Rotors 15 gedreht. Das Drehen der Kurbelwelle 13 bewirkt ein Kreisen des kreisenden Spiralelementes 11b. Würde die Drehung der Kurbelwelle 13 direkt auf das Spiralelement 11b übertragen, würde das Spi­ ralelement 11b sich drehen, ohne zu kreisen. In dem Kompressor ist jedoch eine Einrichtung zum Unterbinden des Drehens (An­ schlag) 14 vorgesehen, wodurch die Drehung der Kurbelwelle 13 in eine kreisende Bewegung des Spiralelementes 11b umgesetzt wird. Durch diese kreisende Bewegung des Spiralelementes 11b wird ein Kältemittel komprimiert. Genauer gesagt wird durch die kreisende Bewegung des Spiralelementes 11b das Volumen von zwi­ schen der Spiralwand 2b des kreisenden Spiralelementes 11b und der Spiralwand 2a des feststehenden Spiralelementes 11a aus­ gebildeten Kompressionsräumen 17 allmählich in Richtung auf den Mittelbereich der Spiralelemente 11a und 11b vermindert, wo­ durch das Kältemittel in den Kompressionsräumen 17 komprimiert wird.

Nachstehend werden die Spiralelemente als wesentliche Elemente der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht der Struk­ tur eines Spiralelementes nach einer Ausführung der Erfindung. Das Spiralelement ist aus eutektischem Graphitguß und weist eine Grundplatte 1 sowie eine darauf sich erhebende Spiralwand 2 auf. Die durchschnittliche Größe der größten eutektischen Zelle beträgt nicht mehr als 1/4 der Höhe (H) der Spiralwand 2.

Fig. 2 zeigt einen Gußrohling für ein Spiralelement, der noch nicht durch maschinelle Bearbeitung in die Gestalt des Spiralelementes gebracht worden ist. Der Rohling, der zu einem Spiralelement weiterzuverarbeiten ist, ist unter Verwendung einer Metallgußform oder einer Sandgußform hergestellt worden.

Fig. 3 zeigt eine nach einer anderen Ausführungsform ge­ gossenes Spiralelement 1. Der Spiralelementrohling 1 nach dieser Ausführungsform ist unter Verwendung einer Gußform aus einer Kupferlegierung oder Graphit aus eutektischem Graphitguß hergestellt und hat eine der endgültigen Gestalt des Spi­ ralelementes angenäherte Gestalt. Daher hat das Spiralelement als Rohling gemäß Fig. 3 eine der endgültigen Gestalt des Spiralelementes angenäherte Gestalt. Das Spiralelement mit als Rohling einer der endgültigen Gestalt des Spiralelement­ produktes angenäherten Gestalt kann auch aus eutektischem Gra­ phitguß unter Vorgabe der chemischen Zusammensetzung und/oder unter Anwendung eines Formmaskenverfahrens oder eines Wachs­ ausschmelzverfahrens erhalten werden, bei dem die Gußform eine der endgültigen Gestalt des Spiralelementes angenäherte Gestalt hat.

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht der Spiralwand 2 eines wie vorstehend beschrieben unter Verwendung einer Gußform aus einer Kupferlegierung oder Graphit her­ gestellten Spiralelementes 11. Da in diesem Fall das Spiral­ element unmittelbar nach dem Gießen sehr schnell abgekühlt wor­ den ist, hat es eine feine eutektische Zellenstruktur. Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht der Spiralwand eines Spiralelementes 11 aus eutektischem Graphitguß, die unter Vorgeben der chemischen Zusammensetzung und unter Anwendung eines Maskenformverfahrens oder eines Wachsausschmelzverfahrens mit einer Sandform erhal­ ten worden ist, wobei die resultierende eutektische Zellen­ struktur relativ große Abmessungen hat.

Da erfindungsgemäß eutektischer Graphitguß als Spiral­ werkstoff verwendet wird, kann die erforderliche Bear­ beitungszeit beim Fräsen des Spiralelementwerkstoffs bei­ spielsweise mit einer Stirnfräse ohne wesentliche Verkürzung der Standzeit des Fräswerkzeugs, wie etwa desjenigen einer Stirnfräse, verringert werden, so daß die Herstellungskosten eines Spiralelementes einer Spiralrotationskolbenmaschine wesent­ lich gesenkt werden können. Da ferner die durchschnittliche Größe der größten eutektischen Zelle so gesteuert wird, daß sie nicht mehr als 1/4 der Höhe der Spiralwand des Spiralelementes beträgt, sind wegen Härteunterschieden möglicherweise auf­ tretende Welligkeiten auf der Struktur minimiert. Dadurch ist eine Bearbeitung mit höherer Präzision möglich.

Erfindungsgemäß kann durch Verwenden einer Metallgußform aus einer Kupferlegierung oder Graphit o. dgl. und durch An­ wenden eines Formmaskenverfahrens oder eines Wachsausschmelz­ verfahrens ferner ein Spiralelement mit als Gußrohling kompli­ zierter Gestalt gegossen werden. Daher ist das von dem Guß­ rohling des Spiralelementes zur Fertigstellung des Spiralelementes in dem Verfahren abzufräsende Volumen verringert. Somit kann die Anzahl der Verfahrensschritte verringert werden, was die Herstellungskosten eines Spiralelementes für eine Spiralrotations­ kolbenmaschine senkt.

Claims (13)

1. Spiralrotationskolbenmaschine mit einem eine Grundplatte (1) und eine sich von der Grundplatte (1) erhebende Spiralwand (2) aufweisenden Spi­ ralelement (11) aus einem Gußmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußmaterial eutektischer Graphitguß ist und die durchschnittliche Größe der größten eutektischen Zelle des eutektischen Graphitgusses nicht mehr als 1/4 der Höhe (H) der Spiralwand (2) beträgt.

2. Spiralrotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, bei dem der eutektische Graphitguß - auf das Gewicht bezogen - 2,0 bis 4,5% C und 1,0 bis 4,0% Si, Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen enthält.

3. Spiralrotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der eutektische Graphitguß - auf das Gewicht bezogen - 0,05 bis 1,3% Ti, Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen enthält.

4. Spiralrotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Volumen von in der Matrix des Graphitgusses verteiltem Perlit 7 bis 30% beträgt.

5. Verfahren zum Herstellen einer Spiralrotations­ kolbenmaschine mit einem eine Grundplatte (1) und eine sich von der Grundplatte (1) sich erhebende Spiralwand (2) aufweisenden Spiralscheibe (11) mit dem Schritt des Gießens eines Rohlings unter Verwendung einer Gußform und des anschließenden spanenden Nachbearbeitens des Rohlings zum Herstellen des Spiralelements, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform nach dem Gießen mit einer derartigen Geschwindigkeit abgekühlt wird, daß sich eine eutektische Graphitgußstruktur mit einer durchschnittlichen Größe der größten eutektischen Zelle von nicht mehr als 1/4 der Höhe (H) der Spiralwand (2) ausbildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Gußform wassergekühlt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Gußform eine der endgültigen Gestalt des Spiralelements (11) angenäherte Gestalt hat.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem die Gußform eine Metallgußform ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Metallgußform aus einer Kupferlegierung besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem die Gußform eine Graphitgußform ist.

11. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem die Gußform eine Sandform ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Sandform nach einem Formmaskenverfahren hergestellt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Sandform nach einem Wachsausschmelzverfahren hergestellt ist.