DE69715782T2

DE69715782T2 - Spiralmaschine mit Schutz gegen Drehrichtungsumkehr

Info

Publication number: DE69715782T2
Application number: DE69715782T
Authority: DE
Inventors: Jaroslav Blass; Jean-Luc Caillat; Muzaffer Ceylan
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland LP
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: KR100330455B1; US5800141A; EP0844398A1; EP0844398B1; CN1184894A; JPH10169575A; KR19980042643A; JP4124506B2; CN1079915C; DE69715782D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Spiralmaschinen (Scrollmaschinen). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verminderung oder zum Ausschluss von Umkehrrotationsproblemen in Spiralmaschinen, wie z. B. denjenigen, die als Verdichter zur Verdichtung von Kältemittel in Kälte-, Klimatisierungs- und Wärmepumpensystemen verwendet werden, sowie denjenigen, die als Verdichter in Luftverdichtungssystemen verwendet werden.
Spiralmaschinen werden für die Verwendung als Verdichter sowohl bei Kälteanwendungen als auch bei Klimatisierungs- und Wärmepumpenanwendungen immer populärer, und zwar in erster Linie aufgrund ihres extrem effizienten Betriebs. Im Allgemeinen umfassen diese Maschinen ein Paar ineinandergreifender Spiralen, von denen eine zum Umlauf relativ um die andere gebracht wird, so dass sie eine oder mehrere sich bewegende Kammern definieren, deren Größe fortlaufend abnimmt, wenn sich sich von einer äußeren Ansaugöffnung in Richtung einer zentralen Auslassöffnung bewegen. Gewöhnlich ist ein Elektromotor bereitgestellt, der so betrieben wird, dass er das umlaufende Spiralelement mittels einer geeigneten Antriebswelle antreibt.
Da Spiralverdichter auf aufeinanderfolgenden Kammern für Verdichtungs-, Ansaug- und Auslassvorgänge beruhen, sind im Allgemeinen keine Ansaug- und Auslassventile erforderlich. Wenn derartige Verdichter jedoch abgestellt werden, entweder absichtlich, weil der Bedarf gedeckt ist, oder unabsichtlich als Folge einer Unterbrechung der Energieversorgung, besteht eine starke Tendenz zum Rückstrom von verdichtetem Gas von der Auslasskammer und in einem geringeren Grad eine Tendenz des Gases in den mit Druck beaufschlagten Kammern, eine umgekehrte Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements und der dazugehörigen Antriebswelle zu bewirken. Diese Umkehrbewegung erzeugt häufig ein Geräusch oder ein Rattern, das als störend und unerwünscht angesehen werden könnte. Ferner ist es bei Maschinen, bei denen ein Einphasen-Antriebsmotor verwendet wird, möglich, dass der Verdichter in der umgekehrten Richtung zu laufen beginnt, wenn eine kurze Unterbrechung der Energieversorgung auftritt. Dieser umgekehrte Betrieb könnte zu einer Überhitzung des Verdichters und/oder anderen Störungen des Systemgebrauchs führen. Zusätzlich wäre es bei manchen Situationen, wie z. B. bei einem blockierten Kühlerventilator, möglich, dass der Auslassdruck so stark ansteigt, dass der Antriebsmotor blockiert und eine umgekehrte Drehung desselben verursacht wird. Wenn die umlaufende Spirale in der umgekehrten Richtung umläuft, wird der Auslassdruck bis zu einem Punkt abnehmen, bei dem der Motor diese Druckhöhe wieder überwinden kann und das Spiralelement vorwärts umlaufen lassen kann. Der Auslassdruck wird jedoch erneut bis einem Punkt zunehmen, bei dem der Antriebsmotor blockiert wird und der Zyklus wiederholt sich. Ein solcher Zyklus ist jedoch unerwünscht, da er sich selbst unaufhörlich fortsetzt.
Eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein sehr einfaches und einzigartiges Ventil zu schaffen, das mit der Gleitflächendichtung zusammenhängt und das einfach in einen herkömmlichen Gasverdichter des Spiraltyps ohne signifikante Modifikation der Verdichter-Gesamtgestaltung eingebaut werden kann, und das beim Abstellen des Verdichters dahingehend wirkt, dass es die Effektivität der Gleitflächendichtung erhöht, die sich beim Abstellen des Verdichters so bewegt, dass es eine Gasströmung von der Auslassdruckzone zu der Ansaugdruckzone erlaubt. Diese Strömung wird das Auslassgas mit dem Ansauggas ausgleichen, wodurch verhindert wird, dass Auslassgas den Verdichter in der umgekehrten Richtung antreibt, was wiederum das normale Abstellgeräusch ausschließt, das mit einer derartigen umgekehrten Rotation verbunden ist.
Der Abstract von JP-A-59023094 beschreibt eine Spiralmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Spiralmaschine gemäß Anspruch 1 bereit.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht durch das Zentrum eines Spiralverdichters ist, der eine beispielhafte Ventilanordnung umfasst;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Verdichter ist, wobei der Deckel und ein Teil der Abtrennung entfernt sind;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht der in Fig. 1 veranschaulichten Gleitflächendichtungsanordnung ist; und
Fig. 4 eine Ansicht ist, die der von Fig. 3 ähnlich ist, die jedoch eine erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt.
Während die vorliegende Erfindung zum Einbau in viele verschiedene Arten von Spiralmaschinen geeignet ist, wird sie hier beispielhaft gezeigt, wie sie in einen Spiral- Kälteverdichter der in Fig. 1 veranschaulichten allgemeinen Struktur eingebaut ist. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist ein Verdichter 10 gezeigt, der eine im Wesentlichen zylindrische hermetische Hülle 12 umfasst, auf deren oberes Ende ein Deckel 14 geschweißt ist. Der Deckel 14 ist mit einem Kältemittelauslass- Anschlussstück 18 ausgestattet, welches das gewöhnliche Auslassventil (nicht gezeigt) enthalten kann. Andere an der Hülle befestigte Hauptelemente umfassen ein Einlassanschlussstück 20, eine sich quer erstreckende Abtrennung 22, die um ihren Umfang an dem gleichen Punkt an der Hülle 12 angeschweißt ist wie der Deckel 14, ein zweiteiliges Hauptlagergehäuse 24 und ein unteres Lagergehäuse 26 mit einer Mehrzahl von sich radial nach außen erstreckenden Beinen, von denen jedes in geeigneter Weise an der Hülle 12 befestigt ist. Das untere Lagergehäuse 26 hält innerhalb der Hülle 12 das zweiteilige Hauptlagergehäuse 24 und einen Motor 28, der einen Motorstator 30 umfasst, und ordnet diese innerhalb der Hülle 12 an.
Eine Antriebswelle oder Kurbelwelle 32 mit einem exzentrischen Kurbelzapfen 34 an dessen oberem Ende ist in einem Lager 36 in dem Hauptlagergehäuse 24 und in einem zweiten Lager 38 in dem unteren Lagergehäuse 26 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 32 weist an ihrem unteren Ende eine konzentrische Bohrung 40 mit einem relativ großen Durchmesser auf, die mit einer radial außen angeordneten Bohrung 42 mit kleinerem Durchmesser in Verbindung steht, die sich von dieser nach oben zum Oberteil der Kurbelwelle 32 erstreckt. Innerhalb der Bohrung 40 ist ein Rührer 44 angeordnet. Der untere Abschnitt der inneren Hülle 12 definiert einen Ölsumpf 46, der mit Schmieröl gefüllt ist. Die Bohrung 40 wirkt als Pumpe zum Pumpen von Schmierfluid nach oben zu der Kurbelwelle 32 und in die Bohrung 42 und schließlich zu allen verschiedenen Abschnitten des Verdichters, die eine Schmierung erfordern.
Die Kurbelwelle 32 wird drehend von dem Elektromotor 28 angetrieben, der einen Motorstator 30, Wicklungen 48, die sich durch den Motorstator erstrecken und einen Motorrotor 50, der auf die Kurbelwelle 32 aufgepresst ist und ein oberes und ein unteres Gegengewicht 52 bzw. 54 umfasst.
Die obere Fläche des zweiteiligen Hauptlagergehäuses 24 ist mit einer flachen Axialgleitlageroberfläche 56 ausgestattet, auf der ein umlaufendes Spiralelement 58 angeordnet ist, die auf deren Oberfäche übliche Spirallamellen oder eine übliche Spirale 60 aufweist. Von der unteren Fläche des umlaufenden Spiralelements 58 steht eine zylindrische Nabe nach unten vor, die ein Achslager 62 darin aufweist und in der eine Antriebslaufbüchse 64 drehbar angeordnet ist, die eine Innenbohrung 66 aufweist, in welcher der Kurbelzapfen 34 antreibend angeordnet ist. Der Kurbelzapfen 34 weist auf einer Oberfläche einen flachen Abschnitt auf, der eine flache Oberfläche (nicht gezeigt), die in einem Abschnitt der Bohrung 66 ausgebildet ist, antreibend in Eingriff nimmt, um eine radial angeordnete Antriebsanordnung bereitzustellen, wie es in der US-PS 4,877,382 gezeigt ist. Es ist auch eine Oldham-Kupplung 68 bereitgestellt, die zwischen dem umlaufenden Spiralelement 58 und dem Lagergehäuse 24 positioniert ist. Die Oldham-Kupplung 68 ist an dem umlaufenden Spiralelement 58 und einem nicht-umlaufenden Spiralelement 70 befestigt, um eine Drehbewegung des umlaufenden Spiralelements 58 zu verhindern. Die Oldham-Kupplung 68 ist vorzugsweise von dem Typ, wie er in der US-PS 5,320,506 beschrieben ist.
Es ist auch ein nicht-umlaufendes Spiralelement 70 bereitgestellt, das eine Spirale 72 aufweist, die in ineinandergreifendem Eingriff mit der Spirale 60 des umlaufenden Spiralelements 58 positioniert ist. Das nicht-umlaufende Spiralelement 70 weist eine zentral angeordneten Auslassdurchgang 74 auf, der mit einer nach oben offenen Ausnehmung 76 in Verbindung steht, die wiederum über eine Öffnung 78 in der Abtrennung 22 in Fluidverbindung mit einer Auslassschalldämpferkammer 80 steht, die durch den Deckel 14 und die Abtrennung 22 definiert wird. Der Zugang zu der Öffnung 78 weist um diese herum einen ringförmigen Auflageabschnitt 82 auf. Das nicht-umlaufende Spiralelement 70 weist in dessen oberer Fläche eine ringförmige Ausnehmung 84 mit parallelen, koaxialen Seitenwänden auf, in der für eine relative Axialbewegung eine ringförmige Gleitflächendichtungsanordnung 86 abdichtend angeordnet ist, die zur Isolation des Bodens der Ausnehmung 84 vor dem Vorhandensein von Gas bei einem Auslassdruck bei 88 und einem Ansaugdruck bei 90 dient, so dass der Boden mittels eines Durchgangs 92 in Fluidverbindung mit einer Quelle eines Zwischenfluiddrucks gebracht werden kann. Das nicht-umlaufende Spiralelement 70 wird so axial gegen das umlaufende Spiralelement 58 vorgespannt, um die Abdichtung der Spiralspitze durch die Kräfte, die durch den Auslassdruck verursacht werden, der auf den zentralen Abschnitt des Spiralelements 70 wirkt, und die Kräfte zu verstärken, die durch den Zwischenfluiddruck erzeugt werden, der auf den Boden der Ausnehmung 84 wirkt. Das Auslassgas in der Ausnehmung 76 und der Öffnung 78 wird von dem Gas bei dem Ansaugdruck in der Hülle mittels der Dichtungsanordnung 86 abgedichtet, die gegen den Auflageabschnitt 82 wirkt. Diese Vorspannung durch axialen Druck und die Funktion der Gleitflächendichtungsanordnung 86 sind detaillierter in der US-PS 5,156,539 beschrieben. Das nicht-umlaufende Spiralelement 70 ist zur Montage an das Lagergehäuse 24 in einer geeigneten Weise gestaltet, die eine begrenzte axiale Bewegung (und keine Drehbewegung) des nicht-umlaufenden Spiralelements 70 bereitstellt. Das nicht-umlaufende Spiralelement 70 kann in der Weise montiert werden, wie sie in der vorstehend genannten US-PS 4,877,382 oder in der US-PS 5,102,316 beschrieben ist.
Der Verdichter ist vorzugsweise vom "Unterseiten"-Typ ("low side"-Typ), bei dem das Ansauggas, das über das Anschlussstück 20 eintritt, teilweise in die Hülle strömen gelassen wird und bei der Kühlung des Motors unterstützt. Solange eine angemessene Strömung von zurückkehrendem Ansauggas vorliegt, wird der Motor innerhalb der gewünschten Temperaturgrenzen bleiben. Wenn diese Strömung signifikant abnimmt oder endet, wird der Kühlungsverlust jedoch die Auslösung einer Motorschutzeinrichtung 94 und die Abschaltung der Maschine verursachen.
Der bisher ausführlich beschriebene Spiralverdichter ist entweder bekannt oder Gegenstand anderer anhängiger Patentanmeldungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mechanische Ventilanordnung 100, die in die Gleitflächendichtungsanordnung 86 integriert ist. Die Ventilanordnung 100 bleibt während des Dauerbetriebs des Verdichters 10 vollständig offen und wird sich lediglich während des Abschaltens des Verdichters 10 schließen. Sobald das Ventil 100 vollständig geschlossen ist, wird die Gleitflächendichtungsanordnung 86 aufgrund des Druckunterschieds nach unten gedrückt und ermöglicht das Strömen von Gas von der Auslassseite zu der Ansaugseite des Verdichters 10.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 weist die Gleitflächendichtungsanordnung 86 einen koaxialen Sandwich-Aufbau auf und umfasst eine ringförmige Grundplatte 102 mit einer Mehrzahl von gleich beabstandeten, nach oben stehenden, integralen Vorsprüngen 104 auf, die jeweils einen vergrößerten Basisabschnitt 106 aufweisen. Auf der Platte 102 ist eine ringförmige Dichtungsanordnung 108 angeordnet, die eine Mehrzahl von gleich beabstandeten Löchern aufweist, die auch mit den Basisabschnitten 106 zusammenpassen und diese aufnehmen. Auf der Oberseite der Dichtungsanordnung 108 ist eine ringförmige Beabstandungsplatte 110 mit einer Mehrzahl von gleich beabstandeten Löchern angeordnet, die auch mit den Basisabschnitten 106 zusammenpassen und diese aufnehmen. Auf der Oberseite der Platte 110 befindet sich eine ringförmige Dichtungsanordnung 112 mit einer Mehrzahl von gleich beabstandeten Löchern, die mit den Vorsprüngen 104 zusammenpassen und diese aufnehmen. Der Aufbau der Dichtungsanordnung 86 wird durch eine ringförmige obere Dichtungsplatte 114 aufrechterhalten, die eine Mehrzahl von gleich beabstandeten Löchern aufweist, die mit den Vorsprüngen 104 zusammenpassen und diese aufnehmen. Die Dichtungsplatte 114 umfasst eine Mehrzahl von ringförmigen Vorsprüngen 116, die mit der Mehrzahl von Löchern in der Beabstandungsplatte 110 zusammenpassen und sich in diese erstrecken, um der Dichtungsanordnung 86 Stabilität zu verleihen. Die Dichtungsplatte 114 umfasst auch eine ringförmige, nach oben vorstehende planare Dichtlippe 118. Die Dichtungsanordnung 86 wird durch Stauchen der Enden der Vorsprünge 104 zusammengehalten, wie es bei 120 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 stellt die Dichtungsanordnung 86 drei unterschiedliche Dichtungen bereit. Erstens eine Innendurchmesser-Dichtung an den beiden Grenzflächen 122, zweitens eine Außendurchmesserdichtung an den beiden Grenzflächen 124 und eine obere Dichtung bei 126. Die Dichtungen 122 isolieren das Fluid, das in dem Boden der Ausnehmung 84 unter einem Zwischendruck steht, von dem Fluid in der Ausnehmung 76. Die Dichtungen 124 isolieren Fluid, das in dem Boden der Ausnehmung 84 unter einem Zwischendruck steht, von dem Fluid innerhalb der Hülle 12. Die Dichtung 126 befindet sich zwischen der Dichtlippe 118 und dem ringförmigen Auflageabschnitt 82. Die Dichtung 126 isoliert Fluid unter Ansaugdruck von dem Fluid unter Auslassdruck über dem Oberteil der Dichtungsanordnung 86.
Der Durchmesser der Dichtung 126 ist so gewählt, dass unter normalen Betriebsbedingungen des Verdichters 10, d. h., bei normalen Druckdifferenzen eine positive Abdichtungskraft auf die Dichtungsanordnung 86 einwirkt. Wenn daher unerwünschte Druckbedingungen auftreten, wird die Dichtungsanordnung 86 nach unten gedrückt, wodurch eine Fluidströmung von der Auslassdruckzone des Verdichters 10 zu der Ansaugdruckzone des Verdichters 10 ermöglicht wird. Wenn diese Strömung groß genug ist, wird der resultierende Verlust an Strömung des Ansaugsgases für die Motorkühlung (noch weiter verschlechtert durch die übermäßige Temperatur des austretenden Auslassgases) die Motorschutzeinrichtung 94 auslösen, wodurch der Motor 28 von der Energieversorgung getrennt wird. Die Breite der Dichtung 126 wird so gewählt, dass der Einheitsdruck zwischen der Dichtlippe 118 und dem Auflageabschnitt 82 größer ist als der normalerweise auftretende Auslassdruck, wodurch eine passende Abdichtung sichergestellt wird.
Innerhalb des inneren Umfangs der Dichtlippe 118 befindet sich eine Auslassventilbasis 130. Die Auslassventilbasis 130 umfasst eine Mehrzahl von Öffnungen 132, welche die Strömung von verdichtetem Gas von der Ausnehmung 76 in die Schalldämpferkammer 80 erlauben. Ein pilzförmiger Ventilhalter 134 ist durch eine Gewindeverbindung oder in einer anderen an sich bekannten Weise an einer zentralen Öffnung 136 befestigt, die innerhalb der Ventilbasis 130 angeordnet ist. Zwischen der Ventilbasis 130 und dem Ventilhalter 134 ist eine ringförmige Ventilscheibe 138 angeordnet. Der Durchmesser der Ventilscheibe 138 ist groß genug, um die Mehrzahl von Öffnungen 132 abzudecken, wenn die Ventilscheibe 138 auf der Ventilbasis 130 aufliegt. Der Durchmesser des oberen Abschnitts des Halters 134, der sich in Kontakt mit der Ventilscheibe 138 befindet, ist so gewählt, dass er geringer ist als der Durchmesser der Ventilscheibe 138 und in einem gewünschten Verhältnis dazu steht, um die Kräfte, die während des Betriebs auf das Ventil einwirken, und das Abschalten des Verdichters 10 zu steuern. Der Durchmesser des oberen Abschnitts des Halters 134 ist so gewählt, dass er zwischen 50% und 100% des Durchmessers der Ventilscheibe 138 beträgt. Vorzugsweise ist der Durchmesser des oberen Abschnitts des Halters 134 so gewählt, dass er etwa 95% des Durchmessers der Ventilscheibe 138 beträgt. Während des Betriebs des Verdichters 10 ist es unerwünscht, dass die Ventilscheibe 138 unter den Strömungspulsen dynamisch wird, die bei extremen Betriebsbedingungen auftreten, wie z. B. bei einem hohen Druckverhältnis. Der passende Kontaktbereich zwischen der Ventilscheibe 138 und dem Ventilhalter 134 und ein Phänomen, das als "Haftreibung" bekannt ist, wird verhindern, dass die Ventilscheibe 138 dynamisch wird. Die Haftreibung ist die vorübergehende, zeitabhängige Haftung der Ventilscheibe 138 an dem Ventilhalter 134, die durch die Oberflächenspannung von Schmieröl verursacht wird, das sich zwischen diesen befindet.
Der Ventilhalter 134 ist mit einer zentralen Durchgangsöffnung 140 ausgestattet, die so groß ist, dass eine geeignete Menge an Auslassgas durch den Ventilhalter 134 hindurchtreten kann, wenn die Ventilscheibe 138 die Öffnungen 132 schließt. Diese Gasströmung durch den Ventilhalter 134 begrenzt das Ausmaß des Vakuums, das während der angetriebenen Umkehrrotation des Verdichters 10 erzeugt werden kann. Diese angetriebene Umkehrrotation kann während eines Dreiphasen-Fehlverdrahtungszustands oder aufgrund verschiedener Situationen wie z. B. einem blockierten Kühlerventilator auftreten, wobei sich der Auslassdruck bis zu einem Punkt aufbaut, an dem der Antriebsmotor 28 blockiert wird. Wenn der Durchmesser der Öffnung 140 zu klein gewählt wird, wird während des Umkehrbetriebs ein übermäßiges Vakuum erzeugt. Wenn die Öffnung 140 zu groß gewählt wird, wird die Umkehrrotation des Verdichters 10 beim Abschalten nicht angemessen verhindert.
Während des Normalbetriebs des Verdichters 10 wird die Ventilscheibe 138 in einer offenen Position gehalten, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, und mit Druck beaufschlagtes Kältemittel strömt von dem Auslassdurchgang 74 in die offene Ausnehmung 76, durch die Mehrzahl von Öffnungen 132 und in die Auslassschalldämpferkammer 80. Wenn der Verdichter 10 jedoch abgestellt wird, entweder absichtlich, weil der Bedarf gedeckt ist, oder unabsichtlich als Folge einer Unterbrechung der Energieversorgung, besteht eine starke Tendenz zum Rückstrom von verdichtetem Kältemittel von der Auslassschalldämpferkammer 80 und in einem geringeren Grad eine Tendenz des Gases in den mit Druck beaufschlagten Kammern, die durch die Spiralen 60 und 72 definiert sind, eine umgekehrte Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements 58 zu bewirken. Die Ventilscheibe 138 wird aufgrund der Haftreibung, wie es vorstehend beschrieben worden ist, zunächst in der offenen Position gehalten. Wenn der Verdichter 10 abgestellt wird, werden die Kräfte aufgrund der anfänglichen Rückströmung von verdichtetem Kältemittel und - bei dieser speziellen Konstruktion in einem geringeren Maß - die Kräfte aufgrund der Schwerkraft schließlich die vorübergehende, zeitabhängige "Haftreibungs"-Haftung überwinden, und die Ventilscheibe 138 wird auf die Ventilbasis 130 fallen, die Mehrzahl von Öffnungen 132 schließen und die Strömung von verdichtetem Kältemittel aus der Auslassschalldämpferkammer 80 heraus stoppen, mit Ausnahme der Menge, die durch die Öffnung 140 strömen gelassen wurde. Die begrenzte Strömung durch die Öffnung 140 ist nicht ausreichend, um zu verhindern, dass die Gleitflächendichtungsanordnung 86 herabfällt, wodurch die Abdichtung 126 durchbrochen werden kann. Dadurch wird ein Strömen von Kältemittel unter Auslassdruck zu dem Ansaugdruckbereich des Verdichters 10 möglich, um die beiden Drücke auszugleichen und die Umkehrrotation des umlaufenden Spiralelements 58 zu stoppen.
Folglich begrenzt die Gleitflächendichtungsanordnung 86, die eine Ventilbasis 130, einen Ventilhalter 134 und eine Ventilscheibe 138 umfasst, die Menge an mit Druck beaufschlagtem Kältemittel, die durch den Verdichter 10 nach dem Abstellen rückströmen gelassen wird. Diese Begrenzung des Kältemittelrückstroms kann das Abstellgeräusch steuern, ohne dass sie einen nachteiligen Einfluss auf die Leistung des Verdichters 10 hat. Die Steuerung des Abstellgeräuschs wird somit in einfacher und kostengünstiger Weise erreicht.
Während der angetriebenen Umkehr ermöglicht die Öffnung 140 einen ausreichenden Kältemittelrückstrom zur Begrenzung jeglicher Vakuumerzeugung und stellt damit ein ausreichendes Kältemittelvolumen zum Schutz der Spiralelemente 58 und 70 bereit, bis die Motorschutzeinrichtung 94 auslöst und den Verdichter 10 stoppt.
Fig. 4 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Gleitflächendichtungsanordnung 286. Der Ausschluss der Umkehrrotation und der Schutz gegen eine angetriebene Umkehrrotation weisen sich gegenseitig ausschließende Erfordernisse auf. Der Ausschluss der Umkehrrotation erfordert, dass die Ventilscheibe 138 die Öffnungen 132 so schnell wie möglich schließt, so dass den Spiralelementen 58 und 70 so wenig wie möglich mit Druck beaufschlagtes Gas zur Expansion zugeführt wird, wodurch die Antriebskraft für die Umkehrrotation ausgeschlossen wird. Der Schutz gegen eine angetriebene Umkehrrotation erfordert, dass Gas von der Auslassschalldämpferkammer 80 in der umgekehrten Richtung durch die Spiralelemente 58 und 70 strömen gelassen wird, so dass ein Vakuum innerhalb der Verdichtungskammern, die durch die Spiralen 60 und 72 ausgebildet sind, begrenzt wird. Die Begrenzung des Vakuums wird dabei unterstützen, eine Reibungsbeschädigung zwischen den Spiralelementen 58 und 70 zu verhindern.
Das vorstehend bezüglich der Fig. 1 bis 3 beschriebene Beispiel ist ein funktioneller Kompromiss zwischen dem Ausschluss der Umkehrrotation und der Bereitstellung eines Schutzes während der angetriebenen Umkehrrotation. Der Durchmesser der Öffnung 140 ist so gewählt, dass eine geeignete Gasmenge während der angetriebenen Umkehrungen die Ventilscheibe 138 umgehen kann und dass er jedoch die Strömungsmenge begrenzt, um das Ausmaß der Umkehrrotation der Spiralen während des Abstellens signifikant vermindert. Die Gleitflächendichtungsanordnung 286 bringt diese gegensätzlichen Erfordernisse miteinander in Einklang, und zwar durch Bereitstellen eines Zeitverzögerungsmerkmals für den Rückstrom von Kältemittel während einer angetriebenen Umkehrrotation. Der Druckausgleich zwischen der Auslassdruckzone und der Ansaugzone findet in einem relativ kurzen Zeitraum statt. Durch die Verzögerung des Rückstroms von Kältemittel, das die Ventilscheibe 138 umgeht, für einen Zeitraum, der im Wesentlichen gleich der Zeit für diesen Druckausgleich ist, kann sowohl der Ausschluss der Umkehrrotation als auch der Schutz vor dieser angetriebenen Umkehrrotation erreicht werden.
Die Gleitflächendichtungsanordnung 286 umfasst eine Auslassventilbasis 130 innerhalb des inneren Umfangs der Dichtlippe 118. Die Auslassventilbasis 130 umfasst die Mehrzahl von Öffnungen 132, welche die Strömung von verdichtetem Gas von der Ausnehmung 76 in die Schalldämpferkammer 80 erlauben. Ein pilzförmiger Ventilhalter 234 ist durch eine Gewindeverbindung oder in einer anderen an sich bekannten Weise an der zentralen Öffnung 136 befestigt, die innerhalb der Ventilbasis 130 angeordnet ist. Zwischen dem Ventilhalter 234 und der Ventilbasis 130 ist eine ringförmige Ventilscheibe 138 angeordnet. Der Durchmesser der Ventilscheibe 138 ist groß genug, um die Mehrzahl von Öffnungen 132 abzudecken, wenn die Ventilscheibe 138 auf der Ventilbasis 130 aufliegt, wie es in Fig. 4 in Durchsicht gezeigt ist. Der Durchmesser des oberen Abschnitts des Ventilhalters 234, der sich in Kontakt mit der Ventilscheibe 138 befindet, ist so gewählt, dass er geringer ist als der Durchmesser der Ventilscheibe 138 und in einem gewünschten Verhältnis dazu steht, um die Kräfte, die während des Betriebs auf das Ventil einwirken, und das Abschalten des Verdichters 10 zu steuern. Der Durchmesser des oberen Abschnitts des Halters 234 ist so gewählt, dass er zwischen 50% und 100% des Durchmessers der Ventilscheibe 138 beträgt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des oberen Abschnitts des Halters 234 so gewählt, dass er etwa 95% des Durchmessers der Ventilscheibe 138 beträgt. Der Ventilhalter 234 ist mit einer zentralen Durchgangsöffnung 240 ausgestattet, innerhalb derer ein Ventilschaft 242 gleitend angeordnet ist. Der Ventilschaft 242 umfasst einen Schaft 244 und einen Ventilkopf 246. Die Gleitreibung zwischen dem Schaft 244 und der Öffnung 240 stellt einen Dämpfungseffekt für die Bewegung des Ventilschafts 242 bereit. Eine Feder 248 ist zwischen einer Schulter 250, die durch die Durchgangsöffnung 240 ausgebildet ist, und einem Halter 252 angeordnet, der sich durch das Ende des Schafts 244 erstreckt. Die Feder 248 spannt den Ventilschaft 242 derart vor, dass der Ventilkopf 246 gegen das Ende des Ventilhalters 234 vorgespannt ist. Der Ventilschaft 242 definiert eine sich axial erstreckende Bohrung 254, die mit einer sich diametral erstreckenden Bohrung 256 zusammenpasst. Die Bohrung 256 öffnet sich in den unteren Abschnitt der Öffnung 240.
Während des Normalbetriebs des Verdichters 10 wird die Ventilscheibe 138 in eine offenen Position gehalten, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und mit Druck beaufschlagtes Kältemittel strömt von dem Auslassdurchgang 74 in die offene Ausnehmung 76, durch die Mehrzahl von Öffnungen 132 und in die Auslassschalldämpferkammer 80. Die Feder 248 spannt den Ventilkopf 246 gegen das Ende des Ventilhalters 234 zum Schließen der Öffnungen 240, 254 und 256 vor. Wenn der Verdichter 10 abgestellt wird, entweder absichtlich, weil der Bedarf gedeckt ist, oder unabsichtlich als Folge einer Unterbrechung der Energieversorgung, besteht eine starke Tendenz zum Rückstrom von verdichtetem Kältemittel von der Auslassschalldämpferkammer 80 und in einem geringeren Grad eine Tendenz des Gases in den mit Druck beaufschlagten Kammern, die durch die Spiralen 60 und 72 definiert sind, eine umgekehrte Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements 58 zu bewirken. Die anfängliche Rückströmung von verdichtetem Kältemittel führt dazu, dass die Ventilscheibe 138 auf die Ventilbasis 130 fällt und die Mehrzahl von Öffnungen 132 schließt. Das Schließen der Mehrzahl von Öffnungen 132 in Kombination mit dem Schließen der Öffnungen 240, 254 und 256 durch den Ventilkopf 246 aufgrund der Vorspannung durch die Feder 248 stoppt die gesamte Strömung von verdichtetem Kältemittel aus der Auslassschalldämpferkammer 80 heraus in die Spiralelemente 58 und 70, wodurch die Umkehrrotation des Spiralelements 58 ausgeschlossen wird. Dieses Stoppen der Kältemittelströmung führt zu einem Herabfallen der Gleitflächendichtungsanordnung 286, wodurch die Dichtung 126 gebrochen werden kann und Kältemittel unter Auslassdruck zu dem Ansaugdruckbereich des Verdichters 10 strömen kann. Diese Strömung gleicht den Druck aus und verhindert eine Umkehrrotation des Spiralelements 58. Der Druckausgleich findet in etwa 0,2 s statt, was schneller ist, als die Zeit, die erforderlich ist, um den Ventilkopf 246 von dem Ventilhalter 234 zu lösen, und zwar aufgrund des dämpfenden Effekts der Reibung zwischen dem Schaft 244 und der Öffnung 240, der Trägheit des Systems und der Vorspannung der Feder 248, was zu der gewünschten Zeitverzögerung führt.
Folglich blockiert die Gleitflächendichtungsanordnung 86, welche die Ventilbasis 130, den Ventilhalter 234, die Ventilscheibe 138 und den Ventilschaft 242 umfasst, die Strömung des mit Druck beaufschlagten Fluids, das durch den Verdichter 10 nach dem Abstellen rückströmen gelassen wird, für einen Zeitraum, der für einen Druckausgleich ausreichend ist. Diese Blockierung des Kältemittelrückstroms steuert das Abstellgeräusch, ohne dass sie einen nachteiligen Einfluss auf die Leistung des Verdichters 10 hat. Die Steuerung des Abstellgeräuschs wird somit in einfacher und kostengünstiger Weise erreicht.
Während angetriebener Umkehrungen, die bei einem kurzen Versagen der Energieversorgung bei einem Einphasenmotor auftreten können, werden die Ventilscheibe 138 und der Ventilkopf 246 den anfänglichen Rückstrom von Kältemittel blockieren. Diese Blockierung des Kältemittelstroms wird ein partielles Vakuum verursachen, das den Ventilkopf 246 schnell von dem Ventilhalter 234 lösen wird, wodurch Kältemittel durch die Bohrungen 254 und 256 fließen kann, um das erzeugte Vakuum zu begrenzen. Die Begrenzung des Vakuums stellt eine ausreichende Kältemittelströmung bereit, um die Spiralelemente 58 und 70 zu schützen, bis die Motorschutzeinrichtung 94 auslöst und den Verdichter 10 stoppt. Die kurze Verzögerung des Kältemittelrückstroms, die durch die Feder 248, die den Ventilkopf 246 in Kontakt mit dem Ventilhalter 234 hält, der Dämpfung aufgrund der Reibung zwischen dem Schaft 244 und der Öffnung 240 und der Trägheit des Ventilsystems verursacht wird, ist irrelevant für den Schutz vor der angetriebenen Umkehrrotation, während sie ein klarer Vorteil für den Ausschluss der Umkehrrotation ist. Diese angetriebene Umkehrrotation kann aufgrund eines Fehlverdrahtungszustands oder aufgrund verschiedener Situationen wie z. B. einem blockierten Kühlerventilator auftreten, wobei sich der Auslassdruck bis zu einem Punkt aufbaut, an dem der Antriebsmotor 28 blockiert wird.
Während die vorstehende detaillierte Beschreibung die bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung beschreibt, sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung modifiziert, variiert und verändert werden kann, ohne vom Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche abzuweichen.

Claims

1. Eine Spiralmaschine (10), umfassend:

eine Hülle (12), die eine Auslasskammer (80) definiert;

ein erstes Spiralelement (58), das in der Hülle (12) angeordnet ist, wobei das erste Spiralelement (58) eine erste Spirale (60) aufweist, die von einer Endplatte nach außen vorsteht;

ein zweites Spiralelement (70), das in der Hülle (12) angeordnet ist, wobei das zweite Spiralelement (70) eine zweite Spirale (72) aufweist, die von einer Endplatte nach außen vorsteht, wobei die zweite Spirale (72) mit der ersten Spirale (60) ineinandergreifend angeordnet ist;

ein Antriebselement (32) zum Verursachen eines Umlaufens der Spiralelemente (58, 70) relativ zueinander, wodurch die Spiralen (60, 72) Taschen mit einem sich fortlaufend ändernden Volumen zwischen einer Ansaugdruckzone und einer Auslassdruckzone (76) erzeugen, wobei die Auslassdruckzone (76) in Fluidverbindung mit der Auslasskammer (80) steht;

ein Auslassventil (132, 138), das zwischen der Auslassdruckzone (76) und der Auslasskammer (80) angeordnet ist, wobei das Auslassventil (132, 138) zwischen einer offenen Position, bei der eine Fluidströmung zwischen der Auslassdruckzone (76) und der Auslasskammer (80) möglich ist, und einer geschlossenen Position, bei der eine Fluidströmung zwischen der Auslasskammer (80) und der Auslassdruckzone (76) nicht möglich ist, bewegbar ist;

einen Strömungsweg (240), der zwischen der Auslasskammer (80) und der Auslassdruckzone (76) angeordnet ist, wobei der Strömungsweg (240) offen ist, wenn sich das Auslassventil (100) in der geschlossenen Position befindet; und dadurch gekennzeichnet, dass

ein Steuerventil (246) innerhalb des Strömungswegs (240) angeordnet ist, wobei das Steuerventil (246) zwischen einer offenen Position, bei der eine Fluidströmung durch den Strömungsweg (240) möglich ist, und einer geschlossenen Position, bei der eine Fluidströmung durch den Strömungsweg (240) nicht möglich ist, bewegbar ist.

2. Spiralmaschine nach Anspruch 1, wobei die Spiralmaschine (10) einen Leckageweg umfasst, der zwischen der Auslassdruckzone (26) und der Ansaugdruckzone angeordnet ist, wobei der Leckageweg aufgrund des Einflusses eines mit Druck beaufschlagten Fluids geschlossen wird.

3. Spiralmaschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Auslassventil (132, 138) umfasst:

eine Ventilbasis (130);

einen Ventilhalter (234), der an der Ventilbasis (130) befestigt ist; und

eine Ventilscheibe (138), die zwischen der Ventilbasis (130) und dem Ventilhalter (234) angeordnet ist.

4. Spiralmaschine nach Anspruch 3, bei welcher sich der Strömungsweg (240) durch den Ventilhalter (234) erstreckt.

5. Spiralmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Steuerventil (246) in die geschlossene Position vorgespannt ist.

6. Spiralmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Ventilscheibe (138) eine ringförmige Scheibe mit einem Außendurchmesser ist und bei welcher der Ventilhalter (234) einen ringförmigen Kontaktbereich umfasst, der mit der Ventilscheibe zusammenpasst, wobei der ringförmige Kontaktbereich einen Außendurchmesser aufweist, der gleich 50 bis 100% des Außendurchmessers der Ventilscheibe (138) ist.

7. Spiralmaschine nach Anspruch 6, bei welcher der Außendurchmesser des ringförmigen Kontaktbereichs 95% des Außendurchmessers der Ventilscheibe (138) beträgt.