DE69121026T2

DE69121026T2 - Schmiereinrichtung für Spiralmaschine

Info

Publication number: DE69121026T2
Application number: DE69121026T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Caillat; Stephen Mark Seibel
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland LP
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2011-05-08
Also published as: JPH04234501A; US5395224A; DE69121026D1; EP0469700A1; EP0469700B1; JP3339055B2; KR920002934A; KR0159948B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Spiralmaschinen und insbesondere ein verbessertes Schmiersystem für Spiralkompressoren
Eine typische Spiralmaschine weist ein umlaufendes Spiralelement auf, das mit einem nichtumlaufenden Spiralelement zusammengreift, ein Drucklager zum Aufnehmen der auf das umlaufende Spiralelement einwirkenden Axialbelastungen und ein Schmierstoffversorgungssystem zum Schmieren der verschiedenen sich bewegenden Teile der Maschine, zu dem auch das Drucklager gehört. Demgemäß besteht auf dem Gebiet der Spiralmaschinen ein fortwährender Bedarf an verbesserten Schmierverfahren.
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Schmiersystem zu schaffen, das in jedem gewünschten Umfang die zentrifugalkräfte ausnutzen kann, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt werden, um entweder zwangsläufig oder zwangsfrei auf den Fluidstrom in einem Abschnitt des Schmierstoffsystems einzuwirken. Dieses Fluid kann entweder ein Schmieröl sein, das dem Drucklager zwecks normaler Schmierung zugeführt wird, ein in die miteinander zusammengreifenden Spiralen eingespritztes Öl, um die Abdichtung und die Effektivität zu verbessern und dabei den Lärm zu dämpfen, oder ein von einer Stelle in dem Schmiersystem abgeführter Dampf. Eine damit verbundene Aufgabe betrifft die Schaffung eines solchen Systems, das ausgesprochen einfach und kostengünstig eingesetzt werden kann, keine zusätzlichen Teile erfordert und sich wirklich zum Einbau in einen drehzahlregelbaren Kühlmittelkompressor eignet.
In JP-A-59-180093 wird ein Spiralkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart. Das nichtumlaufende Spiralelement des Kompressors ist mit vier Gruppen von Gasabsaugbohrungen versehen. Die ersten Enden dieser Bohrungen stehen in Verbindung mit einer Saugkammer. Die zweiten Enden der Bohrungen können mit Ölzufuhrbohrungen kommunizieren, die in dem umlaufenden Spiralelement vorgesehen sind. Bei jedem Umlauf des umlaufenden Spiralelements wird jede Ölzufuhrbohrung durch eine jeweilige Gasabsaugbohrung in Verbindung mit der Absaugkammer gebracht. Der Zweck liegt darin, die Leistung der Pumpe zu erhöhen, indem die Verlangsamung bei der Ölzufuhr zu einem Lager unmittelbar nach dem Anlaufen beseitigt wird, so daß ein mögliches Festfressen des Lagers verhindert wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spiralmaschine geschaffen, umfassend:
(a) ein umlaufendes Spiralelement, das auf einer Seite eine erste spiralförmige Schaufel besitzt;
(b) ein nichtumlaufendes Spiralelement mit einer zweiten spiralförmigen Schaufel, die mit der ersten spiralförmigen Schaufel in Eingriff steht, so daß während der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements in bezug auf das nichtumlaufende Spiralelement bewegliche Taschen mit veränderlichem Volumen durch die Schaufeln gebildet werden;
(c) Antriebseinrichtungen, die das umlaufende Spiralelement in bezug auf das nichtumlaufende Spiralelement in Drehung versetzen;
(d) eine Ölzufuhreinrichtung, die Öl zu einer Kammer fördert, die in der Nähe des umlaufenden Spiralelements angeordnet ist;
(e) einen Kanal in dem umlaufenden Spiralelement mit einer Richtungskomponente, die radial zur Achse der Umlaufbewegung verläuft, wobei das radial innere Ende des Kanals eine Einlaßöffnung aufweist, die mit der Kammer in Fluidverbindung stehen kann;
(f) eine Auslaßöffnung in dem umlaufenden Spiralelement, die den Kanal mit einem äußeren Abschnitt des umlaufenden Spiralelements verbindet, damit Fluid von der Kammer zu dem äußeren Abschnitt fließen kann, wobei die Auslaßöffnung radial auswärts von der Einlaßöffnung angeordnet ist; und
(g) eine Steuereinrichtung, die den Strom durch den Kanal steuert;
dadurch gekennzeichnet, daß:
die Steuereinrichtung die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung in dem umlaufenden Spiralelement derart positioniert, daß diese offen sind, wenn die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugten Trägheitskräfte so gerichtet sind, daß sie den Fluidstrom längs des Kanals in einer vorbestimmten Richtung verbessern, und daß wenigstens eine von der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung außerdem so positioniert ist, daß sie den Ölstrom verlangsamt, wenn das umlaufende Spiralelement eine Position einnimmt, die der maximalen oder der minimalen Umlaufverschiebung des umlaufenden Spiralelements in Richtung der radialen Komponente des Kanals entspricht.
Nunmehr werden Ausführungsformen der Spiralmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine Vertikalschnittansicht durch einen luftdichten Spiralkompressor, in dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert sind;
Figur 2 ist eine Ansicht von oben auf das umlaufende Spiralelement des Kompressors von Figur 1;
Figur 3 ist eine Vertikalschnittansicht im allgemeinen längs der Linie 3 - 3 in Figur 2;
Figur 4 ist eine Draufsicht von unten auf das umlaufende Spiralelement von Figur 2;
Die Figuren 5, 6A und 6B sind schematische Ansichten, die bestimmte Öffnungskonfigurationen bei den Ausführungsformen in den Figuren 1 - 4 als Funktion des Kurbeldrehwinkels veranschaulichen;
Figur 7 ist eine Ansicht von oben auf ein alternatives umlaufendes Spiralelement, das Bestandteil vorliegenden Erfindung ist;
Figur 8 ist eine Vertikalschnittansicht im wesentlichen längs der Linie 8 - 8 in Figur 7;
Figur 9 ist eine Vertikalschnittansicht im wesentlichen längs der Linie 9 - 9 in Figur 7;
Figur 10 ist eine Draufsicht von unten auf das umlaufende Spiralelement von Figur 7;
Figur 11 ist eine Ansicht von oben auf ein umlaufendes Spiralelement bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 12 ist eine Vertikalschnittansicht im wesentlichen längs der Linie 12 - 12 in Figur 11;
Figur 13 ist eine Vertikalschnittansicht im wesentlichen längs der Linie 13 - 13 in Figur 11;
Figur 14 ist eine Draufsicht von unten auf das umlaufende Spiralelement von Figur 11;
Die Figuren 15 und 16 sind weitere schematische Ansichten, die bestimmte Öffnungskonfigurationen bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 7 - 14 als Funktion des Kurbeldrehwinkels veranschaulichen;
Figur 17 ist eine Ansicht von oben auf ein umlaufendes Spiralelement, das bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
Figur 18 ist eine Seitenansicht des Spiralelements von Figur 17;
Figur 19 ist eine Draufsicht von unten auf das Spiralelement von Figur 17; und
die Figuren 20 und 21 sind weitere schematische Ansichten, die bestimmte Öffnungskonfigurationen bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 17 - 19 als Funktion des Kurbeldrehwinkels veranschaulichen.
Die vorliegende Erfindung eignet sich zwar zum Einbau in viele verschiedene Arten von Spiralmaschinen, wird jedoch zur beispielhaften Darstellung hierin beschrieben als in einen Spiralkompressor eingebaut, der die im Vertikalschnitt in Figur 1 dargestellte allgemeine Konstruktion aufweist. Allgemein gesagt, umfaßt der Kompressor ein im allgemeinen zylindrisches luftdichtes Gehäuse 10, an dessen oberem Ende ein Deckel 12 und an dessen unterem Ende ein Boden 14 mit einer Vielzahl von Füßen 16 angeschweißt ist. Der Deckel 12 ist mit einer Thermostatanordnung versehen, die allgemein mit 18 bezeichnet ist und einen Abschnitt aufweist, der ins Innere des Gehäuses ragt, und ein Kühlmittelabführelement 20, in dem sich das übliche Ablaßventil (nicht dargestellt) befinden kann. Weitere an dem Gehäuse angebrachte Hauptelemente sind eine in Querrichtung verlaufende Trennwand 22, die um ihren Umfang herum an der gleichen Stelle angeschweißt ist, an der der Deckel 12 an dem Mantel 10 angeschweißt ist, ein Hauptlagergehäuse 24, das an einer Vielzahl von Stellen mit Stiften an dem Mantel 10 angeschweißt ist, wobei Stifte 26 verwendet werden, und ein unteres Lagergehäuse 28 mit einer Vielzahl von radial nach außen ragenden Schenkeln, von denen jeder mit Stiften an dem Mantel 10 angeschweißt ist, wobei ein Stift 30 verwendet wird. Ein Motorstator 32, der im allgemeinen quadratisch im Querschnitt ist, dessen Ecken jedoch gerundet sind, ist in das Gehäuse 10 eingepreßt. Die Abflachungen zwischen den gerundeten Ecken an dem Stator bilden Kanäle zwischen dem Stator und dem Gehäuse, die mit 34 bezeichnet sind und den Strom des Schmiermittels von oben nach unten in dem Gehäuse erleichtern. Eine Kurbelwelle 36 mit einem exzentrischen Kurbelzapfen 38 an ihrem oberen Ende ist drehbar in einem Lager 40 in dem Hauptlagergehäuse 24 und einem zweiten Lager 42 in dem unteren Lagergehäuse 28 gelagert. Die Kurbelwelle 36 weist an dem unteren Ende eine konzentrische Bohrung 44 mit einem relativ großen Durchmesser auf, die mit einer radial nach außen geneigten Bohrung 46 mit kleinerem Durchmesser kommuniziert, die sich von dieser aus nach oben zu dem Oberteil der Kurbelwelle erstreckt. In der Bohrung 44 ist ein Rührstab 48 angeordnet, und am Boden der Kurbelwelle ist eine Schmierölpumpe verkeilt, die allgemein mit 50 bezeichnet ist. Der untere Abschnitt des Innengehäuses 10 ist mit Schmieröl gefüllt, und die Pumpe so ist die erste Pumpe, die in Verbindung mit der Bohrung 44 wirkt, die als zweite Pumpe wirkt, um Schmierfluid in der Kurbelwelle nach oben und in den Kanal 46 und schließlich zu allen verschiedenen Abschnitten des Kompressors zu pumpen, die geschmiert werden müssen.
Die Kurbelwelle 36 wird drehbar angetrieben von einem Elektromotor, der aus dem Stator 32, den durch diesen laufenden Wicklungen 52 und einem Rotor 53 besteht, der auf die Kurbelwelle auf gepreßt ist und obere bzw. untere Gegengewichte 54 und 56 besitzt. Es kann eine Gegengewichtsabschirmung 58 vorgesehen werden, um den Leistungsverlust zu vermindern, den das Gegengewicht 56 verursacht, das in dem Öl in dem Sumpf umgewirbelt wird. Siehe zum Beispiel die Offenbarung in US-A-4,895,496, die hier mit einbezogen wird. Der übliche Motorschutz 60 kann an den Wicklungen befestigt werden, um einen herkömmlichen überhitzungsschutz herzustellen.
Die Oberseite des Hauptlagergehäuses 24 ist mit einer ringförmigen flachen Drucklagerfläche 62 versehen, auf der ein umlaufendes Spiralelement 64 angeordnet ist, umfassend eine Endplatte 65 mit der üblichen spiralförmigen Schaufel oder dem Umgriff 66 auf der Oberseite derselben, eine ringförmige flache Druckfläche 67 auf der Unterseite und von dieser nach unten herausragend eine zylindrische Nabe 68, die ein Zapfenlager 70 darin aufweist und in dem drehbar eine Antriebsbuchse 72 angeordnet ist, die eine Innenbohrung 74 aufweist, in der antreibend der Kurbelzapfen 38 angeordnet ist. Der Kurbelzapfen 38 weist auf einer Seite (nicht dargestellt) eine Abflachung auf, die antreibend in eine flache Fläche in einem Abschnitt der Bohrung 74 (nicht dargestellt) eingreift, so daß eine radial nachgiebige Antriebsanordnung entsteht, wie sie z. B. in US-A-4,877,382 dargestellt ist, deren Offenbarung hier mit einbezogen wird.
Die Schaufel 66 greift mit einer nichtumlaufenden spiralförmigen Schaufel 78 zusammen, die Bestandteil des nichtumlaufenden Spiralelements 80 ist, das an dem Hauptlagergehäuse 24 in jeder gewünschten Weise befestigt werden kann, wodurch eine beschränkte axiale Bewegung des Spiralelements 80 möglich wird (wobei die Art und Weise dieser Befestigung für die vorliegende Erfindung unerheblich ist). Das nichtumlaufende Spiralelement 80 weist einen mittig angeordneten Auslaßkanal 82 auf, der mit einer nach oben offenen Ausnehmung 84 kommuniziert, die in Fluidverbindung mit einer Auslaßdämpfungskammer 86 steht, die von dem Dekkel 12 und der Trennwand 22 gebildet wird. Das nichtumlaufende Spiralelement 80 weist in seiner Oberseite eine ringformige Ausnehmung 88 auf, in der abdichtend zur relativen Axialbewegung ein ringförmiger Kolben 90 angeordnet ist, der einstückig an der Trennwand 22 ausgebildet ist. Ringformige elastomere Dichtungen 92, 94 und 96 dienen dazu, den Boden der Ausnehmung 88 vor unter Auslaßdruck stehendem Gas zu schützen, so daß dieser mittels eines Kanals 98 in Fluidverbindung mit einer Quelle eines Fluidzwischendrucks gebracht werden kann. Auf diese Weise wird das nichtumlaufende Spiralelement axial gegen das umlaufende Spiralelement durch die Kräfte vorbelastet, die durch den Auslaßdruck erzeugt werden, der auf den mittigen Abschnitt des Spiralelements 80 wirkt, und durch diejenigen, die durch den Fluidzwischendruck erzeugt werden, der auf den Boden der Ausnehmung 88 wirkt. Diese Axialdruckvorbelastung sowie das Verfahren zur Lagerung des Spiralelements 80 zwecks beschränkter Axialbewegung sind viel ausführlicher in US-A-4,877,328 offenbart.
Eine relative Drehung der Spiralelemente zueinander wird verhindert durch die übliche Oldham-Kreuzscheibenkupplung, umfassend einen Ring 100 mit einem ersten Paar Keile 102 (von denen einer dargestellt ist), die gleitfähig in einander diametral gegenüberliegenden Nuten 104 in dem Körperelement 24 angeordnet sind, und einem zweitenpaar Keile 106 (von denen einer dargestellt ist), die gleitfähig in einander diametral gegenüberliegenden Nuten 108 in dem Spiralelement 64 angeordnet sind.
Der Spiralkompressor, der auf diese Weise sehr ausführlich beschrieben wurde, ist nunmehr entweder in der Technik bekannt oder ist Gegenstand von anderen anhängigen Patentanmeldungen durch den Rechtsnachfolger der Anmelderin. Die Einzelheiten der Konstruktion, in denen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthalten sind, sind diejenigen, die sich mit der Schmierung der Drucklager zwischen den Flächen 62 und 67, dem Entlüften des Schmiersystems zur Erhöhung der Sicherheit und dem Einspritzen einer kleinen Menge an Schmieröl in das gashaltige Kühlmittel unmittelbar vor dem Komprimieren zur Steigerung der Effektivität und zur Minderung des Lärms befassen.
Das Schmieren der Drucklager und das Einspritzen von Öl in ihrer einfachsten Form sind hierin in den Figuren 2 - 4 dargestellt. Das Öl wird in eine Kammer 110 geleitet, die in dem mittleren Abschnitt des umlaufenden Spiralelements 64 angeordnet ist und durch das Oberteil des Kurbelzapfens 38 und die Buchse 72 auf der einen Seite und durch das blinde Ende 112 der Nabe 68 auf der anderen Seite begrenzt wird (Figur 3). Die Kammer 110 kommuniziert direkt und kontinuierlich mit einem radial nach außen verlaufenden Kanal 114 in der Endplatte 65, der an seinem äußeren Ende durch einen eingepreßten Stopfen 116 verschlossen ist und zwischen seinen Enden mit einer Schmieröffnung 118 kommuniziert, die nach unten zu der Druckfläche 67 hin offen ist, und mit einer Öleinspritzöffnung 119, die nach oben zu der Fläche der Spiralendplatte im Bereich des Endes der spiralförmigen Schaufel hin offen ist, wo Ansauggas in die Maschine eingesaugt wird. In der in Figur 3 dargestellten Position, in der sich das umlaufende Spiralelement 64 in seiner maximalen Umlaufradiusposition in der Richtung der Öffnungen befindet, stehtdie Öffnung 118 in vollständiger Fluidverbindung mit einer ringförmigen Ölversorgungsnut 120, die konzentrisch mit der Achse der Kurbelwelle 36 verläuft und als primäre Ölversorgung für das Drucklager wirkt. Wenn das Spiralelement 64 weiter umläuft, bewegt sich das Teil 118 fortschreitend aus der Verbindung mit der Nut 120 heraus, wie dies leicht vorstellbar ist. Infolgedessen wird Öl nur dann in die Nut geführt, wenn die Trägheitskräfte an dem Öl in dem Kanal 114 auf Grund der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements 64 in einer solchen Richtung verlaufen, daß sie den Strom des Öls durch die Öffnung 118 in die Nut 120 verbessern.
Einzuspritzendes Öl fließt durch die Öffnung 119, worauf es durch das gashaltige Kühlmittel in den Kompressor geführt wird, während dieses in den Kompressor eingesaugt wird. Da die Öffnung 119 stets in Verbindung mit der Kammer 110 steht, fließt das Öl immer dann zyklisch durch diese hindurch, wenn die Trägheitskräfte einen solchen Strom zulassen. Bei Bedarf kann der Kanal 114 mit nur einer einzigen Ölauslaßöffnung versehen werden, und das kann entweder die Öffnung 118 oder die Öffnung 119 sein.
Die Stellung des umlaufenden Spiralelements der Öleinlaßund -auslaßöffnungen, ob zum Einspritzen oder zur Schmierung, relativ zu der Position des Kurbelzapfens in jedem Funktionszyklus bestimmt die Trägheitswirkung auf den Ölstrom, der von den Zentrifugalkräften bewirkt wird, die von der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt werden. Wenn zum Beispiel in Figur 5 die Auslaßöffnung so angeordnet ist, daß sie vollständig offen ist, wenn sie sich in einer Position befindet, die mit den Mittelachsen der Kurbelwelle und des Kurbelzapfens übereinstimmt, die mit cs bzw. cp bezeichnet sind, (oder in der gleichen Ebene mit diesen liegt) und in der Richtung des Kurbelzapfens steht, dann steht sie in einer Position maximaler Zentrifugalkraft, und die auf das Öl wirkenden Trägheitskräfte, die dazu neigen, dieses aus der Öffnung herausfließen zu lassen, sind Maximalkräfte. Diese Stelle ist die 0º-Position des Kurbelzapfens in Figur 5. Somit befindet sich in Figur 5 die Stellung der Öffnung 118 (Kreis in durchgehender Linie) in der 0º-Position des Kurbelzapfens (Kurbeldrehwinkel 0º), wie zu sehen ist, und der Kanal 114 befindet sich in der dargestellten Position. Bei der Erläuterung dieser Figur (und der anderen schematischen Ansichten in dieser Offenbarung) sollte darauf hingewiesen werden, daß sich die Öffnungen und die Kanäle tatsächlich über der Ebene der Zeichnung (in dem umlaufenden Spiralelement) befinden und nur ihre relativen Positionen dargestellt sind. Die anderen Positionen der Öffnung 118 relativ zu der Nut 120 sind, wenn das umlaufende Spiralelement umläuft, in gestrichelten Linien dargestellt und durch den Kurbeldrehwinkel an dieser Stelle in der Umlaufbewegung bezeichnet.
Obwohl die Schmierung bei einem Kurbeldrehwinkel von 0º im Vergleich zu vielen anderen Positionen eindeutig verbessert wird, wie zum Beispiel zu einem Kurbeldrehwinkel von 180º, wird angenommen, daß die bevorzugte Öffnungsposition zur maximalen Schmierung die Position ist, in der die Öffnung ganz geöffnet ist, wenn der Ölstrom maximal ist und nicht die Trägheitskraft. Auf Grund von Strömungsverlusten muß diese Stelle unbedingt hinter der Maximalkraftposition nacheilen und kann mit zwei Methoden bestimmt werden. Die erste und genaueste Methode besteht darin, empirische Verfahren anzuwenden und tatsächlich die Strömungsmenge bei verschiedenen Kurbeldrehwinkeln und Öffnungsstellungen zu messen. Man glaubt, daß diese Maximalstromposition auch genähert werden kann, indem angenommen wird, daß der Wert der Kraft eine Sinusfunktion des Kurbeldrehwinkels ist und dieser Strom eine Funktion der Geschwindigkeit (nicht der Kraft) ist. Die Geschwindigkeit wiederum ist das Integral der Beschleunigung, die eine Funktion der Kraft ist. Da das Integral einer Sinusfunktion eine Kosinusfunktion ist und da Kosinus- und Sinusfunktionen um 90º phasenversetzt sind, kann angenommen werden, daß die Maximalstromposition um ungefähr 90º gegenüber der Maximalkraftposition phasenversetzt ist (und nacheilt). Wie festgestellt wurde, ergibt diese Näherung sehr gute Ergebnisse und ist in Figur 6A dargestellt, wo zu sehen ist, daß die Öffnung 118 um 90º später in vollständiger Verbindung mit der Nut 120 steht, als dann, wenn sich das umlaufende Spiralelement in einer maximalen radialen Verschiebungsposition in der Richtung zu der Öffnung 118 befindet (d.h. die Öffnung steht auf 90º, und das ist um 90º später als die Maximalkraftpositionen bei 180º). Das ist die bevorzugte Stellung der Drucklagerschmieröffnung 118, denn diese befindet sich nahe an der Stelle des Maximalstroms auf Grund der Trägheitskräfte, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements entstehen. Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 2 - 4 wird die Öleinspritzöffnung 119 durch den gleichen Kanal 114 wie die Öffnung 118 gespeist, und da der Kanal 114 stets mit der Kammer 110 kommuniziert, kann das nicht die am meisten gewünschte Einspritzanordnung sein, wie später erläutert wird. Bei Betrachtung der Figuren 5 und 6A sollte klar werden, daß 68 nicht die Nabe als solche an dem umlaufenden Spiralelement darstellt (denn das sind nur schematische Ansichten), sondern lediglich die Innenseite derselben darstellen soll.
In Figur 6B ist eine Variation in der Anordnung von Figur 6A veranschaulicht, wobei der Kanal 114' mit der Auslaßöffnung 118' in der Endplatte 65 vorgesehen ist, um gleichfalls die Nut 120 mit Schmieröl zu versorgen. Da der Kanal 114' um 180º von dem Kanal 114 entfernt positioniert ist, sollte die Öffnung 118' so angeordnet sein, daß sie ganz mit der Nut 120 (in Figur 6B gestrichelt dargestellt) kommuniziert, wenn sich die Kurbelwelle um weitere 180º von der in Figur 6A dargestellten Position weggedreht hat. Wie leicht zu erkennen ist, kann eine beliebige Zahl von Kanälen 114' mit Öffnungen 118' in allen beliebigen gewünschten Winkelpositionen benutzt werden, solange die richtigen Phasenwinkel eingehalten werden und auf diese Weise eine noch stärkere Zufuhr von Schmiermittel zu der Nut 120 gewährleistet wird. In der gleichen Weise könnte auch eine Vielzahl von Kanälen zum Einspritzen des Öls verwendet werden.
In den Figuren 7 - 10 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Schmieröl durch einen Kanal zugeführt wird, der sich von demjenigen unterscheidet, der Öl zum Einspritzen zuführt. Des weiteren ist der Öleinspritzkanal so positioniert, daß er die Zufuhr von Öl zu diesem zeitlich so taktet, daß er den Vorteil der Trägheitskräfte ausnutzt, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt werden. Wie bei dem vorhergehenden Zweck und in dieser gesamten Beschreibung dienen gleiche Ziffern dazu, gleiche Elemente zu bezeichnen. Öl zur Schmierung des Drucklagers wird durch einen Kanal 130 zugeführt, dessen inneres Ende mit einer Kammer 126 kommuniziert und dessen äußeres Ende mit einem eingepreßten Stopfen 132 verschlossen ist, und durch eine axiale Öffnung 134, die nach unten verläuft und mit der Verbindungsfläche des Drucklagers kommuniziert. Wie am besten in Figur 1 zu sehen ist, wird die Kammer 126 durch das Lagergehäuse 24 und den Innendurchmesser 128 der Drucklagerfläche 62 gebildet, und in ihr ist die Nabe 68 angeordnet. Unter den meisten Funktionsbedingungen enthält die Kammer 126 eine größere Menge an Schmieröl von der Buchse 72, dem Lager 70 und dem Drucklager. Wie oben angemerkt, kann die Öffnung 134 in jeder gewünschten Stellung angeordnet werden, damit die Trägheitskräfte des umlaufenden Spiralelements in der gewünschten Weise ausgenutzt werden. Somit könnte sie unter Einbeziehung der obengenannten Kriterien in einer Maximalkraftposition, einer Maximalstromposition und schließlich in jeder anderen gewünschten Stellung angeordnet werden.
Öl zum Einspritzen wird durch einen Kanal 136 verteilt, der in der Endplatte 65 angeordnet ist und an seinem radial inneren Ende eine nach unten offene Einlaßöffnung 138 und eine nach oben gerichtete Auslaßöffnung 140 aufweist, die radial auswärts von dieser angeordnet ist. Das radial äußere Ende des Kanals 136 ist mit einem eingepreßten Stopfen 142 verschlossen. Wie oben befindet sich die Öffnung 140 nahe an dem äußeren Ende der spiralförmigen Schaufel 66, so daß das daraus austretende Öl zusammen mit dem Ansauggas in den Kompressor gesaugt wird. Andererseits ist die Einlaßöffnung 138 an einer solchen Stelle angeordnet, daß sie den Hohlraum 126 nur während eines Abschnitts der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements überlagert. Sie muß deshalb in einer solchen Weise positioniert werden, daß sie zu der Kammer 126 hin offen ist und auf diese Weise nur während des Abschnitts der Umlaufbewegung mit Schmieröl versorgt wird, in dem die gewünschten Trägheitskräfte vorhanden sind, d.h. sie kann so positioniert werden, daß die Strömung darin durch Trägheitskräfte verbessert wird, oder sie kann so angeordnet werden, daß der Strom darin durch Trägheitskräfte verlangsamt wird, wie ausführlicher in Verbindung mit den Figuren 15 und 16 erläutert wird. Bei dieser Ausführungsform ist sie für eine maximale zwangsläufige Trägheitsstromführung positioniert.
In den Figuren 11 - 14 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Schmieröl durch einen Kanal zugeführt wird, der sich von demjenigen unterscheidet, der Öl zum Einspritzen zuführt, und bei der der Öleinspritzkanal so positioniert ist, daß er die Zufuhr von Öl zu diesem zeitlich so taktet, daß er die Trägheitskräfte nutzt, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt werden. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform wird Öl zum Schmieren des Drucklagers durch einen Kanal 130 zugeführt, dessen inneres Ende stets mit der Kammer 126 kommuniziert, und dessen äußeres Ende mit einem eingepreßten Stopfen 132 verschlossen ist, und durch eine axiale Öffnung 134, die nach unten verläuft und mit der Verbindungsfläche des Drucklagers kommuniziert. Wie oben angemerkt, kann die Öffnung 134 in jeder gewünschten Stellung angeordnet werden, damit die Trägheitskräfte des umlaufenden Spiralelements in der gewünschten Weise ausgenutzt werden. Somit könnte sie unter Einbeziehung der obengenannten Kriterien in einer Maximalkraftposition, einer Maximalstromposition und schließlich in jeder anderen gewünschten Stellung angeordnet werden.
Öl zum Einspritzen wird durch einen Kanal 144 verteilt, der in der Endplatte 65 angeordnet ist und an seinem radial inneren Ende eine nach unten offene Einlaßöffnung 146 und eine nach oben gerichtete Auslaßöffnung 148 aufweist, die radial auswärts von dieser angeordnet ist. Das radial äußere Ende des Kanals 144 ist mit einem eingepreßten Stopfen 150 verschlossen. Wie oben befindet sich die Öffnung 144 im Bereich des äußeren Endes der spiralförmigen Schaufel 66, so daß das daraus austretende Öl zusammen mit dem Ansauggas in den Kompressor gesaugt wird. Andererseits ist die Einlaßöffnung 146 an einer solchen Stelle angeordnet, daß sie den Hohlraum 126 nur während eines Abschnitts der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements überlagert. Sie muß deshalb in einer solchen Weise positioniert werden, daß sie zu der Kammer 126 hin offen ist und auf diese Weise nur während des Abschnitts der Umlaufbewegung mit Schmieröl versorgt wird, in dem die gewünschten Trägheitskräfte vorhanden sind, d.h. sie kann so positioniert werden, daß der Strom darin durch Trägheitskräfte verbessert wird, oder sie kann so angeordnet werden, daß der Strom darin durch Trägheitskräfte verlangsamt wird, wie ausführlicher in Verbindung mit den Figuren 15 und 16 erläutert wird. Bei dieser Ausführungsform ist sie für eine maximale zwangsfreie Trägheitsstromführung positioniert.
Die Figuren 15 und 16 zeigen schematisch die Positionierung der Öffnungen 146 bzw. 138, damit die gewünschten Trägheitseffekte erzielt werden. Wie in den Figuren 15 und 11 zu sehen ist, steht die Einlaßöffnung 146 nur dann ganz in Fluidverbindung mit der Ölkammer 126, wenn der Kurbeldrehwinkel 225º beträgt, der um 90º später liegt als die 135º- Position, in der die maximale zwangsfreie Kraft auf das zu der Aulaßöffnung 148 fließende Öl ausgeübt wird. Bei dieser Anordnung unterliegt der Ölstrom zum Einspritzen der maximalen zwangsfreien Trägheitswirkung, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt wird. Zum Einspritzen von Öl ist das die bevorzugte Anordnung bei einem drehzahlveränderlichen Kompressor, da das Ansauggas bei hohen Kompressordrehzahlen dazu neigt, zu viel Öl einzusaugen, und die Wirkung von Trägheitskräften zur Verlangsamung dieses Stroms erwünscht ist. Bei niedrigen Drehzahlen tritt keine übermäßige Verlangsamung ein, da bei niedrigen Drehzahlen minimale Zentrifugalkräfte wirken.
Wie in den Figuren 16 und 7 zu sehen ist, steht die Einlaßöffnung 138 ganz in Fluidverbindung mit der Ölkammer 126, wenn der Kurbeldrehwinkel 45º beträgt, der um 90º später liegt als die 315º-Position, in der die maximale zwangsläufige Kraft auf das zu der Auslaßöffnung 140 fließende Öl ausgeübt wird. Bei dieser Anordnung unterliegt der Ölstrom zum Einspritzen der maximalen zwangsläufigen Trägheitswirkung, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt wird. Sie käme zur Anwendung, wenn eine verbesserte Strömung zum Einspritzen erforderlich ist.
In den Figuren 17 - 21 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Kammer 126 so entlüftet wird, daß Dampf in das Schmieröl abgegeben wird, wodurch dessen Strom blockiert und/oder die Schmierqualitäten desselben stark vermindert werden könnte, und bei der der Entlüftungskanal so positioniert ist, daß seine Verbindung mit der Kammer 126 zeitlich so getaktet wird, daß er den Vorteil der Trägheitskräfte ausnutzt, die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements erzeugt werden. In Situationen, in denen sich zuviel Flüssigkeit im Gehäuse des Kompressors befindet, können die normalen Kurbelwellenöffnungen überflutet werden und kann die Flüssigkeit in der Kammer 126 mit Dampf beladen werden. Eine Entlüftung ist in dieser Situation sehr zu wünschen. Die Kammer 126 wird durch einen Kanal 154 in der Endplatte 65 entlüftet, der eine äußere Entlüftungsöffnung 156 am Umfang der Endplatte (und vorzugsweise so weit wie möglich vom Bereich des Ansaugeinlasses 155 entfernt) sowie eine radial innere Einlaßöffnung 158 aufweist, die an einer solchen Stelle positioniert ist, daß sie den Hohlraum 126 nur während eines Abschnitts der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements überlagert. Sie muß deshalb in einer solchen Weise positioniert werden, daß sie zu der Kammer 126 offen ist und auf diese Weise nur während des Abschnitts der Umlaufbewegung mit Schmieröl versorgt wird, in dem die gewünschten Trägheitskräfte vorhanden sind, d.h. sie kann so positioniert werden, daß der Strom darin durch Trägheitskräfte verbessert wird, oder sie kann so angeordnet werden, daß der Strom darin durch Trägheitskräfte verlangsamt wird. Bei dieser Ausführungsform ist sie für eine maximale zwangsläufige Trägheitsstromführung positioniert.
Wie in Figur 20 zu sehen ist, verläuft die maximale Trägheitskraft von der Bohrung 156 weg in Richtung eines Kurbeldrehwinkels von 315º. Deshalb ist die Öffnung 158 so positioniert, daß sie bei einem Kurbeldrehwinkel von 45º oder später von 90º zu dem Hohlraum 126 hin ganz geöffnet ist, bei denen eine maximale Trägheitshemmung für den Strom in einer Entlüftsrichtung wirkt. Das ist die bevorzugte Anordnung, da zu wünschen ist, daß die Flüssigkeitsmenge minimiert wird, die durch die Öffnung fließt. Hat die Flüssigkeit eine größere Masse, wird sie mehr von den Trägheitskräften beeinflußt als der Dampf.
Falls Trägheitskräfte genutzt werden sollen, um die Entlüftung zu verbessern, dann kann die Anordnung von Figur 21 benutzt werden. Hier ist die Einlaßöffnung an einer Stelle positioniert, wo sie ganz mit der Kammer 126 kommuniziert, wenn sich die Kurbel in einem Drehwinkel von 225º befindet, der um 90º später liegt als der maximale zwangsläufige Kurbeldrehwinkel von 135º.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei allen Ausführungsformen die genannten Winkel ungefähre Winkel sind, wobei dies jedoch für ausreichend befunden wurde. Sind präzise Winkel erforderlich, können diese empirisch ermittelt werden durch Messungen der tatsächlichen Strömung und der tatsächlichen Kraft. Es sei auch angemerkt, daß keine von den Ölzufuhroder Entlüftungsöffnungen so angeordnet ist, daß sie einander über der Mitte des umlaufenden Spiralelements kreuzen, wo Zentrifugal- und/oder Trägheitskräfte in entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig auf sie einwirken würden.
Diese Erfindung wurde zwar in Verbindung mit diesen speziellen Beispielen beschrieben, soll jedoch nur entsprechend der Definition in den folgenden Ansprüchen eingeschränkt werden.

Claims

1. Spiralmaschine umfassend:

(a) ein umlaufendes Spiralelement (64), das auf einer Seite eine erste spiralförmige Schaufel (66) besitzt;

(b) ein nichtumlaufendes Spiralelement (80) mit einer zweiten spiralförmigen Schaufel (78), die mit der ersten spiralförmigen Schaufel (66) in Eingriff steht, so daß während der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements (64) in bezug auf das nichtumlaufende Spiralelement (80) bewegliche Taschen mit veränderlichem Volumen durch die Schaufeln (66, 78) gebildet werden;

(c) Antriebseinrichtungen (32, 52, 53), die das umlaufende Spiralelement (64) in bezug auf das nichtumlaufende Spiralelement (80) in Drehung versetzen;

(d) eine Ölzufuhreinrichtung (46), die Öl zu einer Kammer (110, 120) fördert, die in der Nähe des umlaufenden Spiralelements (64) angeordnet ist;

(e) einen Kanal (114, 130, 136, 144, 154) in dem umlaufenden Spiralelement (64) mit einer Richtungskomponente, die radial zur Achse der Umlaufbewegung verläuft, wobei das radial innere Ende des Kanals eine Einlaßöffnung (138, 146, 158) aufweist, die mit der Kammer in Fluidverbindung stehen kann;

(f) eine Auslaßöffnung (118, 119, 134, 140, 148, 156) in dem umlaufenden Spiralelement (64), die den Kanal (114, 130, 136, 144) mit einem äußeren Abschnitt des umlaufenden Spiralelements (64) verbindet, damit Fluid von der Kammer (110, 126) zu dem äußeren Abschnitt fließen kann, wobei die Auslaßöffnung (118, 119, 134, 140, 148, 156) radial auswärts von der Einlaßöffnung (138, 146, 158) angeordnet ist; und

(g) eine Steuereinrichtung, die den Strom durch den Kanal steuert;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Steuereinrichtung die Einlaßöffnung (138, 146, 158) und die Auslaßöffnung (118, 119, 134, 140, 148, 156) in dem umlaufenden Spiralelement (64) derart positioniert, daß diese offen sind, wenn die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements (64) erzeugten Trägheitskräfte so gerichtet sind, daß sie den Fluidstrom längs des Kanals (114, 130, 136, 144, 154) in einer vorbestimmten Richtung verbessern, und daß wenigstens eine von der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung (118, 134, 138, 146, 158) außerdem so positioniert ist, daß sie den Ölstrom verlangsamt, wenn das umlaufende Spiralelement (64) eine Position einnimmt, die der maximalen oder der minimalen Umlaufverschiebung des umlaufenden Spiralelements (64) in Richtung der radialen Komponente des Kanals (114, 130, 136, 144, 154) entspricht.

2. Spiralmaschine nach Anspruch 1, bei der die Auslaßöffnung (118, 134) so positioniert ist, daß sie entsprechend der Umlaufposition des umlaufenden Spiralelements (64) geöffnet und geschlossen werden kann.

3. Spiralmaschine nach Anspruch 1, bei der die Einlaßöffnung (138, 146, 158) so positioniert ist, daß sie entsprechend der Umlaufposition des umlaufenden Spiralelements (64) geöffnet und geschlossen werden kann.

4. Spiralmaschine nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine Öffnung (118, 134, 146) ganz geöffnet ist, wenn die aus der Umlaufbewegung resultierenden Zentrifugalkräfte so gerichtet sind, daß sie die auf das Fluid in dem Kanal (114, 144) wirkende Trägheitskraft maximieren.

5. Spiralmaschine nach Anspruch 4, bei der die Einlaßöffnung mit der Kammer in größtmöglicher weise kommuniziert, wenn sich das umlaufende Spiralelement ungefähr in seiner maximalen Verschiebungsposition in Richtung der Auslaßöffnung befindet.

6. Spiralmaschine nach Anspruch 2, bei der die Einlaßöffnung mit der Kammer in größtmöglicher Weise kommuniziert, wenn sich das umlaufende Spiralelement ungefähr 90º hinter seiner maximalen radialen Verschiebungsposition in Richtung der Einlaßöffnung befindet.

7. Spiralmaschine nach Anspruch 1, bei der die wenigstens eine Öffnung ganz geöffnet ist, wenn die aus der Umlaufbewegung resultierenden Zentrifugalkräfte so gerichtet sind, daß sie die auf das Fluid in dem Kanal wirkende Trägheitskraft minimieren.

8. Spiralmaschine nach Anspruch 7, bei der die Einlaßöffnung mit der Kammer in größtmöglicher Weise kommuniziert, wenn sich das umlaufende Spiralelement ungefähr in seiner maximalen Umlaufposition in der entgegengesetzten Richtung der Auslaßöffnung befindet.

9. Spiralmaschine nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine Öffnung (134) ganz geöffnet ist, wenn die aus der Umlaufbewegung resultierenden Zentrifugalkräfte so gerichtet sind, daß sie den Strom des Fluids in dem Kanal (130) minimieren.

10. Spiralmaschine nach Anspruch 9, bei der die Einlaßöffnung mit der Kammer in größtmöglicher Weise kommuniziert, wenn sich das umlaufende Spiralelement ungefähr 90º hinter seiner maximalen radialen Verschiebungsposition in der entgegengesetzten Richtung der Auslaßöffnung befindet.

11. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Auslaß (118, 119, 134, 140) Fluid in Form von Schmieröl zu den beweglichen Teilen der Spiralmaschine liefert.

12. Spiralmaschine nach Anspruch 11, des weiteren umfassend einen Körper (24), der eine erste im allgemeinen ringförmige Druckfläche (62) mit einer ringförmigen Ölzufuhrnut (120) sowie eine zweite ringförmige Druckfläche (67) auf dem umlaufenden Spiralelement (64) aufweist, die mit der ersten Druckfläche (62) in Eingriff steht, sowie auf der entgegengesetzten Seite die erste spiralförmige Schaufel (66), wobei die Auslaßöffnung (118, 134) so positioniert ist, daß sie mit der ringförmigen Ölzufuhrnut (120) nur dann in Fluidverbindung steht, wenn die auf das Öl in dem Kanal (114) wirkende, durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements (64) bedingte Trägheitskraft so gerichtet ist, daß sie den Ölstrom von der Auslaßöffnung (118, 134) zu der Nut (120) verbessert.

13. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die oder eine weitere Auslaßöffnung (119, 140, 148) eine Spritztülle ist, mit der Fluid in Form von Öl in die beweglichen Taschen gespritzt wird.

14. Spiralmaschine nach Anspruch 13, bei der die eine und die weiteren Auslaßöffnungen (118, 119) von einem einzigen radialen Kanal (114) aus versorgt werden.

15. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die eine bzw. eine weitere Auslaßöffnung eine Entlüftungsöffnung (156) ist, die Fluid in Form von Dampf zur Entlüftung der Kammer (126) zuführt.

16. Spiralmaschine nach Anspruch 15, bei der die Entlüftungsöffnung (156) über einen Entlüftungskanal (154) in dem umlaufenden Spiralelement versorgt wird, wobei die dazugehörige Einlaßöffnung (158) so positioniert ist, daß sie nur dann mit der Kammer (126) in Fluidverbindung steht, wenn die aufgrund der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements auf das Fluid in dem Kanal wirkenden Trägheitskräfte so gerichtet sind, daß ein gewünschter Effekt erzielt wird.

17. Spiralmaschine nach Anspruch 16, des weiteren umfassend einen Körper (24), der eine erste im allgemeinen ringförmige Druckfläche (62) und eine durch diese hindurchführende mittige Öffnung (128) besitzt, eine zweite im allgemeinen ringförmige Druckfläche (67) auf dem umlaufenden Spiralelement (64), die mit der ersten Druckfläche (62) auf der gegenüberliegenden Seite der ersten spiralförmigen Schaufel (66) in Eingriff steht, und eine Nabe (68) auf dem umlaufenden Spiralelement (64), die in der Öffnung (128) angeordnet ist und mit der Antriebseinrichtung (32, 52, 53) in Antriebseingriff steht, wobei die Kammer (110, 126) den Raum zwischen der Nabe (68) und der Öffnung (128) umfaßt.

18. Spiralmaschine nach Anspruch 17, bei der der Rand der Öffnung (128) während des Umlaufs des umlaufenden Spiralelements (64) als Ventil zur Steuerung des Fluidstroms durch die Einlaßöffnung (138, 146, 158) wirkt.

19. Spiralmaschine nach Anspruch 18, bei der eine Einspritzöffnung (119, 140, 148) in dem umlaufenden Spiralelement (64) zu dem umlaufenden Spiralelement im Bereich des äußeren Endes der ersten spiralförmigen Schaufel (66) hin mündet, um Öl zuzuführen, das in die Taschen eingespritzt wird.

20. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, des weiteren umfassend einen zweiten Kanal (136, 144) in dem umlaufenden Spiralelement (64) mit einer Richtungskomponente, die radial zur Achse der Umlaufbewegung verläuft, wobei das radial innere Ende des zweiten Kanals eine zweite Einlaßöffnung (138) besitzt, die mit der Kammer in Fluidverbindung steht, und eine zweite Auslaßöffnung (140, 148) in dem umlaufenden Spiralelement, die den zweiten Kanal (136, 144) mit einer Seite des umlaufenden Spiralelements verbindet, damit Fluid von der Kammer zu dieser Seite fließen kann, wobei die zweite Auslaßöffnung (140, 148) radial auswärts von der zweiten Einlaßöffnung (138) positioniert ist, und die zweite Öffnung (138, 140, 148) in dem umlaufenden Spiralelement so positioniert ist, daß sie den Strom durch den zweiten Kanal (136, 144) steuert, um die durch die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements (64) erzeugten Trägheitskräfte auszunutzen.

21. Spiralmaschine nach Anspruch 20, bei der die erste Auslaßöffnung (134) Fluid in Form von Schmieröl zu den beweglichen Teilen der Spiralmaschine liefert, und die zweite Auslaßöffnung (140, 148) Fluid in Form von Öl zuführt, das in die beweglichen Taschen eingespritzt wird.

22. Spiralmaschine nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, bei der die erste und die zweite Auslaßöffnung (134, 140, 148) auf gegenüberliegenden Seiten des umlaufenden Spiralelements (64) angeordnet sind.

23. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kammer (110) im mittleren Abschnitt des umlaufenden Spiralelements (64) angeordnet ist.

24. Spiralmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Maschine eine Vielzahl der Kanäle (136, 144) umfaßt, die jeweils eine eigene Einlaß- und Auslaßöffnung (134, 138, 140, 148) besitzen.