Patentanwalt Dipl.-Ing. E. Tergau 1 7 . August 1992
Az. 92545-7
10 Selbstabdichtender Spiralradverdichter
12 Art der Erfindung
14 Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen
15 Spiralradverdichter und insbesondere um einen selbstab-
16 dichtenden Spiralradverdichter mit axialem Trennspalt zwi-
17 sehen dem stationären und dem kreisenden Spiralrad und mit
18 einem auf die Spiralräder wirkenden Gegendruck auf geeigne-
19 tem Druckniveau.
20
21 Hintergrund der Erfindung
23 U Die Verwendung von Spiralrad-ähnlichen Scheiben für die
24 Verdichtung von Fluiden ist schon seit alters her bekannt.
25 Es wurde jedoch erst 1886 eine einem Spiralrad ähnliche
26 Verdichtungsvorrichtung zur Behandlung von Fluiden ent-
27 wickelt. Ein früheres Patent (US-Patent Nr. 801,182,
28 "Rotary Engine"), das 1905 Leon Creux erteilt wurde, offen-
29 bart diese Art von Verdichtungsvorrichtung. Später, 1970,
30 bot das US-Patent Nr. 3.884,599 die Grundlage für die
31 Kommerzialisierung derartiger Rotationsfluidmaschinen.
32 Seither wurde der Entwicklung solcher Maschinen immer mehr
33 Untersuchung und Forschung gewidmet. 34
35 Der Verdichtungsmechanismus des Spiralradverdichters be-
36 steht zumindest aus einem Gehäuse oder einem Rahmen, in dem
37 das stationäre Spiralrad befestigt ist, aus einer Kur-
38 beiwelle, die von einer eine Rotationsbewegung erzeugenden
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Az. 92545-7
1 Vorrichtung, wie z.B. einem elektrischen Motor, angetrieben
2 wird, um ein kreisendes Spiralrad, das um den Mittelpunkt
3 der stationären Spiralradhülle kreist, anzutreiben, und aus
4 einem Oldham-Kupplungsring, der sich zwischen dem Rahmen
5 und dem kreisenden Spiralradteil befindet, um als Gegenro-
6 tationsverbindungsglied zu dienen. Beide Spiralräder werden
7 gebildet aus einer Endscheibe, auf der normalerweise eine
8 evolventenförmige Hülle befestigt ist. 9
10 Die evolventenförmigen Hüllen von beiden Spiralscheiben hall ben den gleichen Abstand, so daß beim gegenseitigen Ein-
12 griff der gegenüberliegenden Hüllscheiben der Spiralscheibe
13 von den Endteilen und den Hüllscheiben der Spiralscheibe
14 eine geschlossene Kammer gebildet wird. Wie im US-Patent
15 Nr. 3,884,559, das Young et al erteilt wurde, erläutert,
16 ist die Wirkungsweise der Spiralradverdichtungsvorrichtung
17 so, daß eine geschlossene Kammer, in der das zu ver-
18 dichtende Fluid hermetisch festgehalten wird, von einem Be-
19 reich zum anderen Bereich bewegt wird, wobei der Druck
20 unterschiedlich sein kann. Wenn das Fluid von einem Bereich
21 mit niedrigem Druck zu einem Bereich mit höherem Druck be-
22 wegt wird, dient der Apparat als Verdichter, umgekehrt
23 dient er als Entspanner.
24
25 Die Bewegung der geschlossenen Fluidkammer wird durch die
26 Kreisbewegung eines Spiralrades um den Mittelpunkt eines
27 anderen Spiralrades bewirkt. Wenn durch die Bewegung das
28 Volumen der geschlossenen Kammer allmählich reduziert wird,
29 vergrößert sich der Druck der darin enthaltenen Fluid. 30
31 Beim herkömmlichen Spiralradverdichter erweist sich das Ab-
32 dichten und die Abnutzung, die im allgemeinen die Effizienz
33 des Gerätes einschränken, als problematisch. Das Abdich-
34 tungsproblem resultiert aus der Tatsache, daß bei einer
35 Druckerhöhung der eingeschlossenen Fluid die dadurch ent-
36 stehende, auf die Spiralscheiben wirkende Kraft, immer
37 stärker wird und es zu einem Auseinandergehen dieser Spi-
38 ralscheiben kommt, wobei der Spalt zwischen den Scheiben
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1 immer größer wird. Unter diesen Umständen ist das Fluid,
2 das in den abgedichteten Kammern enthalten ist, nicht
3 vollständig eingeschlossen.
4
5 Das Abnutzungsproblem resultiert aus dem Abdichtungspr&ogr;-
6 blem. Zur Überwindung des Abdichtungsproblems wirkt eine
7 äußere Kraft, die mindestens größer ist, als die größte,
8 aus dem Fluiddruck resultierende Kraft, auf die Spi-
9 ralscheibe ein, um sie zusammenzuhalten. Dadurch entsteht
10 eine Reibung zwischen den Spiralscheiben, die beim Betrieb
11 der Maschine zu einem Verschleiß zwischen den festen und
12 den beweglichen Teilen führt.
13
14 Unter den Patenten, die sich mit Spiralradverdichtern be-
15 fassen, beschreibt das US-Patent Nr. 4,846,639 die Verwen-
16 dung von Federn oder äußeren Druckkraftquellen zur Erzeu-
17 gung einer äußeren Kraft, die die Spiralscheibe zu-
18 sammenhalten soll. Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben,
19 entsteht durch eine solche äußere Kraft eine größere Rei-
20 bung, wodurch ein größeres Anfahr-Drehmoment benötigt wird,
21 um die Maschine in Gang zu setzen. 22
23 Eine weitere Möglichkeit zur Lösung des Abdichtungsproblems
24 ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr.
25 55-46081 beschrieben. Bei dieser Lösung werden Präzisions-
26 teile zusammengebaut, um sehr kleine Spalte zwischen den
27 Spiralscheiben zu bilden. Solche kleinen Spalte werden mit
28 einem Schmiermittel gefüllt, wodurch ein dünner Film ent-
29 steht, der die Spalte schließt, durch die die verdichtete
30 und unter Druck gesetzte Fluid austreten kann. 31
32 Von Nachteil hierbei ist, daß bei längeren Laufzeiten der
33 Maschine, die Temperatur der verdichteten und unter Druck
34 gesetzten Fluid ansteigt und so zu einem signifikanten Tem-
35 peraturanstieg in den Spiralscheiben führt. Als Folge ist
36 eine durch Wärme verursachte Ausdehnung der Spiralscheibe
37 unvermeidbar, wodurch die Spalte zwischen den Spiralschei-
38 ben vollständig geschlossen werden kann. In diesem Fall
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Az. 92545-7 / . ' ..··,
1 kommt es zu Verschleiß mit der Folge eines steigenden
2 Drehmoments und möglicherweise eines Ausbrennens der Spi-
3 ralscheibe.
4
5 Ein weiterer Weg zur Lösung des Abdichtungsproblems ist die
6 Verwendung von Kopfdichtungen. Im US-Patent 801,182 wird
7 von Creux schon die Verwendung von Kopfdichtungen zur Be-
8 wältigung des Dichtungsproblems beschrieben. Unter den Pa-
9 tenten bezüglich Spiralradverdichtern wird in den US-Paten-
10 ten Nr. 4,564,343; 4,740,143 und 4,864,639 und den
11 veröffentlichten japanischen Patent Anmeldungen Nr. 51-
12 1173.4 und Nr. 57-180.182 zur Abdichtung der Spalte zwi-
13 sehen den Spiralscheiben die Verwendung von Kopfdichtungen
14 beschrieben, jedoch sind diese anders konstruiert. In der
15 taiwanesischen Gebrauchsmuster-Anmeldung Nr. 77206560 wird
16 auch eine andere Konstruktion der Kopfdichtungen für Spi-
17 ralradverdichter dargestellt. Der Nachteil bei der Ver-
18 wendung von Kopfdichtungen besteht in einem wachsenden Rei-
19 bungswiderstand und im Verschleiß der Dichtung. Manchmal
20 ist auch Präzisionsarbeit zum Einbau der Kopfdichtungen er-
21 forderlich.
22
23 Durch die Verwendung von Hochdruckfluid, das vom Verdichter
24 selbst erzeugt wird, kann das Verdichtungsproblem auch ge-
25 löst werden. Diese Konstruktion ist in den US-Patenten Nr.
26 3,600,114 und Nr. 4,365,941 und in den japanischen
27 offengelegten Patentanmeldungen Nr. 62-18758 und 62-37238
28 veröffentlicht. Dies geschieht gewöhnlich durch den Trans-
29 fer von Hochdruckfluid. Dabei kann es sich um ein anderes
30 Fluid handeln als das durch die Bewegung der Spiralscheibe
31 in eine Gegendruckkammer verdichtete Fluid, welches so eine
32 Kraft erzeugt, die auf das kreisende Spiralrad einwirkt.
33 Dabei bewegt sich dieses auf das stationäre Spiralrad zu
34 und verringert dadurch den Spalt zwischen diesen beiden.
35 Der Nachteil hierbei besteht darin, daß unter einem konti-
36 nuierliehen Abfluß des Fluids in die Gegendruckkammer der
37 Durchsatz und damit der Wirkungsgrad des Verdichters beein-
38 trächtigt sind.
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2 Darüberhinaus beeinflussen die unterschiedlichen Druck-
3 Verhältnisse während des Verdichtungszyklus die Stabilität
4 des Gegendruckes und machen deshalb den Einsatz einer Ver-
5 dxchtungsvorrichtung erforderlich, die unter sehr hohem
6 Druck steht, um eine ausreichend große Abdichtungskraft zu
7 gewährleisten. Hierdurch wird eine unnötige Reibung zwi-
8 sehen den Spiralscheiben erzeugt. Dies wiederum führt zu
9 einer Energieverschwendung.
10
11 Wünschenswert ist deshalb ein einen Gegendruck erzeugender,
12 selbstabdichtender Spiralradverdichter, bei dem der Druck
13 der Verdichtungsfluid in die Gegendruckkammer abgeleitet
14 wird, um den hermetischen Kontakt zwischen den Spiralschei-
15 ben aufrechtzuerhalten und dadurch ein Auslaufen der Fluid
16 auszuschließen. Während einerseits ein genügend großer
17 Spalt zwischen den Spiralrädern beibehalten wird, um Rei-
18 bungskontakte zu vermeiden, wird andererseits ein dick-
19 flüssiges Fluid, vorzugsweise das Schmiermittel für den
20 Verdichter, in den Spalt zwischen den Spiralscheiben einge-
21 füllt, um einen den Spalt schließenden Film zu bilden als
22 weiteren Abschluß für das Fluid, der infolge der Leckage
23 durch den Spalt zusammengedrückt wird. 24
26 ^ Aufgabe der Erfindung
28 Die vornehmliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es
29 deshalb, einen gegendruckerzeugenden, selbstabdichtenden
30 Spiralradverdichter zu schaffen, bei dem der Druck des ver-
31 dichteten Fluids in eine Gegendruckkammer durch ein dic-
32 keres Fluid, vorzugsweise ein Schmiermittel für den
33 Verdichter, weitergeleitet wird, um eine hermetische Ab-
34 dichtung zwischen den Spiralscheiben zu erhalten und da-
35 durch zu verhindern, daß das verdichtete Fluid ausläuft. 36
37 Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaf-
38 fung eines gegendruckerzeugenden, selbstabdichtenden Spi-
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1 ralradverdichters, bei dem der Spalt zwischen den Spi-
2 ralscheiben mit einem dickflüssigen Fluid gefüllt ist, das
3 durch Bildung eines Fluidfilms deren Reibung reduzieren
4 soll.
5
6 Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
7 Schaffung eines gegendruckerzeugenden, selbstabdichtenden
8 Spiralradverdichters, bei dem eine Fluidverbindung vorgese-
9 hen ist zwischen der Gegendruckkammer und einem Einlaß-
10 punkt für das Fluid, das verdichtet werden soll, um den Gell gendruck selbst zu steuern, wodurch der Druck auf einem an-
12 nähernd konstantem Niveau gehalten. Dabei wird die Verbin-
13 dung durch die Bewegung des kreisenden Spiralrades in einem
14 bestimmten Zyklus unterbrochen und wieder hergestellt. 15
16 Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist ein Spiralradver-
17 dichter vorgesehen, der ein Gehäuse aufweist, in dem ein
18 stationäres Teil des Spiralrades, zu dem eine Endscheibe
19 mit einer daran befestigten, evolventenformigen Hülle ge-
20 hört, und ein Rahmen befestigt sind, zwischen denen ein
21 ausreichend großer Spalt gebildet wird, um darin ein krei-
22 sendes Spiralradteil aufzunehmen, das ebenso mit einer End-
23 scheibe und einer evolventenformigen Hülle versehen ist.
24 Damit ist erreicht, daß das stationäre Spiralrad und das
25 kreisende Spiralrad ineinandergreifen können und so dazwi-
26 sehen eine Druckbehälter bilden, in den das zu verdichtende
27 Fluid läuft. Ein Oldham-Kupplungsring ist zwischen dem Rah-
28 men und dem kreisenden Spiralradteil angebracht, um die
29 Kreisbewegung des kreisenden Spiralradteils um den Mittel-
30 punkt der stationären Spiralradhülle zu führen. 31
32 Ferner wird eine Gegendruckkammer auf der Rückseite des
33 kreisenden Spiralradteils gebildet, um mittels eines zwei-
34 ten dickflüssigen Fluids, vorzugsweise ein Schmiermittel
35 für den Verdichter, sowohl in Druckverbindung zu stehen mit
36 dem verdichteten Fluid als auch durch einen kapillarartigen
37 Durchlaß, der auf dem stationären Spiralradteil gebildet
38 wird, in Fluidverbindung zu stehen mit einem Einlaß für das
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1 zu verdichtende Fluid. Auf dem Rahmen ist ein Schlitz mit
2 einer Querschnittsabmessung, die größer als der Kapillar-
3 durchlaß ist, gebildet und zwischen den Kapillardurchlaß
4 und die Gegendruckkammer gesetzt. Der Schlitz ist so ge-
5 staltet, daß er sich beim Kreisen des kreisenden Spiral-
6 radteils um den stationären Spiralradteil, zyklisch wieder
7 holt schließt und wieder öffnet. Hierdurch wird ein dyna-
8 mischer Fluidwiderstand erzeugt, der zusammen mit dem sta-
9 tischen durch den Kapillardurchlaß entstandenen Fluidwider
10 stand dazu dient, den Gegendruck auf einem annähernd kon-
11 stanten Niveau zu halten, sowie um so auf das kreisende
12 Spiralradteil zu wirken und es dadurch auf das stationäre
13 Spiralradteil hinzu zu bewegen. 14 15V Weitere Gegenstände und Vorteile gehen aus der folgenden
Beschreibung einer ausgewählten Ausgestaltung hervor, die
17 in den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist. 18 19
20 Kurze Beschreibung der Zeichnungen
22 Fig. l zeigt in perspektivischer Darstellung ein Spiralrad-
23 teil eines Spiralradverdichters; 24
25 Fig. 2-5 zeigt jeweils in einer Reihenfolge den Arbeitsab-
26 lauf eines Spiralradverdichters nur mit den Hüllscheiben
27 des Spiralradteils; 28
29 Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Spi-
30 ralradverdichters, und 31
32 Fig. 7 zeigt in Draufsicht den nach vorliegender Erfindung
33 gestalteten dynamischen Fluidwiderstandsschlitz, wobei das
34 Gehäuse und das stationäre Spiralradteil zur Verdeutlichung
35 weggelassen wurden; 36
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1 Fig. 8 ist ein Querschnitt entlang der Linie V-V von Fig.
2 7, der den Aufbau des Schlitzes gemäß der vorliegenden Er-
3 findung zeigt.
4
6 Ausführliche Beschreibung der ausgewählten Verdichtungsvor-
7 richtung 8
9 Bezogen auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 6
10 hiervon, in der ein Querschnitt eines Spiralradverdichters
11 gezeigt ist, besteht der Spiralradverdichter im wesentli-
12 chen aus einem Gehäuse 20 in dem ein Rahmen 60 und ein sta-
13 tionäres Spiralradteil 30 starr, d.h. fest gegen
14 Relativbewegung zueinander, angeordnet sind. 15
16 Zwischen dem stationären Spiralradteil 30 und dem Rahmen
17 ist ein Spalt gebildet, der darin ein kreisendes Spiral-
18 radteil 10 aufnimmt, das von einer Drehsicherung oder von
19 einem Oldham-Kupplungsring 61, die zwischen dem Rahmen 60
20 und dem kreisenden Spiralradteil 10 eingefügt sind, geführt
21 wird und um den Mittelpunkt des stationären Spiralradteils
22 30 zu umläuft.
23
24 Sowohl das stationäre Spiralradteil 30 als auch das krei-
25 sende Spiralradteil 10 besitzen eine Endscheibe 31 oder
26 eine Hüllscheibe 32 oder 11, vorzugsweise in der Form einer
27 Evolvente, die quer daraufgesetzt ist, sh. Fig. 1, in der
28 ein Spiralradteil (das umlaufende Spiralradteil 10) in
29 Draufsicht gezeigt ist. Beide Hüllscheiben 32 und 11 haben
30 den gleichen Abstand voneinander und greifen so ineinander,
31 daß ein Paar zueinander passender Spiralscheiben gebildet
32 wird. Der Vorgang des Eingreifens ist allgemein bekannt und
33 bedarf keiner weiteren Ausführung. Das Ineinandergreifen
34 der Spiralscheiben 32 und 11 ist am deutlichsten in den
35 Fig. 2 bis 5 zu sehen, in denen unterschiedliche Phasen des
36 durch die Bewegung des kreisenden Spiralradteils 10 erzeug
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1 ten Verdichtungszyklus in Folge dargestellt werden. Das um-
2 laufende Spiralradteil 10 umkreist den Mittelpunkt der
3 Hüllscheibe 32 des stationären Spiralradteils 30. 4
5 Angenommen, Fig. 2 stellt einen gegebenen Zeitpunkt während
6 der Verdichtungsphase dar, dann stellen Fig. 3, 4 und 5 in
7 Folge die aufeinanderfolgenden Zeitpunkte des gleichen Ver-
8 dichtungszyklus von Fig. 2 dar. In der Tat ist jeder ein-
9 zelne Zeitpunkt ein Viertel der Zeit des Umlaufs, der vom
10 kreisenden Spiralradteil vollzogen wird (sh. Zeichnungen).
11 In anderen Worten, wenn der Verdichtungszyklus mit der
12 Phase von Fig. 2 beginnt, so stellt Fig. 3 die Phase dar,
13 die ein Viertel des Zyklus ist, so wie er auf Fig. 2 ge-
14 zeigt wird, und Fig. 4 ist ein weiteres Viertel des Zyklus
15 von Fig. 2 und Abb 5 ist ebenfalls ein weiteres Viertel von
16 Fig. 2, das unter einem anderen Gesichtspunkt betrachtet
17 ist, ein Viertel des Zyklus von Fig. 2. 18
19 Dies bedeutet, nach Fig. 5 bewegt sich das kreisende Spi-
20 ralradteil 10 zurück zu der Stelle, die in Fig. 2 gezeigt
21 wird. Der Verdichtungszyklus wird dann wiederholt. 22
23 Ebenso ist im Gehäuse 20, gegenüber den mit dem Rahmen im
24 Eingriff befindlichen Spiralradteilen 10 und 30, ein An-
25 triebsmittel zur Erzeugung einer Drehbewegung angeordnet,
26 das bei der in den Figuren gezeigten Ausgestaltung ein
27 elektrischer Motor 70 ist. Der Motor 70 weist einen am
28 Gehäuse 20 befestigten Stator 70 und einen Rotor 72 auf.
29 Wie den Fachleuten bekannt ist, wird der elektrische Motor
30 70 durch Anschluß an eine (hier nicht gezeigte) geeignete
31 Stromquelle betätigt und der Rotor in Drehung versetzt.
32 Eine Kurbelwelle 50 verläuft koaxial zu dem Rotor und ist
33 daran befestigt, um mit dem Rotor mit zu drehen. 34
35 Die Kurbelwelle 50 mit einer Achse 53 steht entlang der
36 Richtung der Achse 53 an ihren beiden Enden über. Das erste
37 der beiden Enden reicht in einen Schmierstoff-Vorratsbehäl
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1 ter 24, der einen Teil des Gehäuses 20 ausmacht, vorzugs-
2 weise in dessen schwerkraftabhängig tiefsten Teil, um darin
3 Schmierstoff aufzunehmen.
4
5 Die Verbindung zwischen der Kurbelwelle 50 und dem kreisen-
6 den Spiralradteil 10 wird bewirkt durch eine Einformung 14
7 auf einer Seite des kreisenden Spiralradteils 10 gegenüber
8 der kreisenden Spiralradhülle 11 und eine Anformung 54 auf
9 dem zweiten Ende der Kurbelwelle, die koaxial in der Ein-10 formung aufgenommen wird.
12 Die Anformung 54 hat eine bezüglich der Achse 53 der Kur-
13 belwelle 50 exzentrische Achse 52, so daß bei einer durch
14 den Antriebsteil 50 in Rotationsbewegung gebrachte Kurbel-
15 welle 50 die Achse 52 der Anformung 54 und somit des
16 Schlitzes 14 kund das kreisende Spiralradteil 10 um die
17 Achse 53 der Kurbelwelle 50 umkreist. 18
19 Tragende Teile können zur Reduzierung des mechanischen Ver-
20 schleißes zwischen den beweglichen und den starren Teilen
21 an jeder geeigneten Stelle eingebaut werden. Zum Beispiel
22 kann eine Buchse 62 zwischen dem Rahmen 60 und der Kurbel-
23 welle 50 eingebaut werden, um eine relativ stoßfreie Rota-
24 tion dazwischen zu erlangen. Aufgrund der Verengung durch
25 den Oldham-Kupplungsring 61, das umlaufende Spiralradteil
26 10 dreht auch gegenüber der Anformung 54 an der Kurbelwelle
27 50, kann eine Buchse 15 zwischen der Einformung 14 und der
28 Anformung 54 an der Kurbelwelle 50 erforderlich sein. In
29 der Kurbelwelle 50 ist ein Schmiermittelkanal 51 gebildet,
30 der das Schmiermittel 25, das im Becken 25 gestaut wird,
31 mindestens bis zu diesen Buchsen zur Schmierung führt. 32
33 Die Endscheiben 12 und 31 und die Hüllscheiben 11 und 32
34 des Spiralradteils 10 und 30 umgrenzen dazwischen minde-
35 stens eine abgedichtete Kammer (der schraffierte Bereich
36 auf Fig. 2 bis 5), die sich abhängig von der Bewegung des
37 kreisenden Spiralradteils 10 bewegt und ihre Größe verän-
38 dert. Eine Saugvorrichtung, vorzugsweise in Form einer
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1 Röhre 41, die von außerhalb des Gehäuses 20 zu einem Einlaß
2 (nicht explizit dargestellt in den Zeichnungen) führt, der
3 sich im stationären Spiralradteil 30 in der Nähe eines
4 Niedrigdruckbereichs in den Spiralrädern befindet, um hier-
5 durch das zu verdichtende Fluid in die abgedichtete Ver-
6 dichtungskammer 90 zu lenken, wird eingebaut, um das zu
7 verdichtende Fluid in die abgedichtete Verdichtungskammer
8 90 zu lenken, wenn sich die abgedichtete Verdichtungskammer
9 90 im Niedrigdruckbereich befindet. 10
11 Ein Ablaufbereich 33 ist auf den Endscheiben 31 des sta-
12 tionären Spiralradteils 30 an einer solchen Stelle gebil-
13 det, um das am höchsten verdichtete Fluid, z.B. das Fluid
14 mit dem höchsten Druck in den Spiralscheiben, aus der abge-
15 dichteten Kammer 90 in einen Auffangbehälter 22 zu leiten,
16 welches aus einer Oberfläche des stationären Spiralradteils
17 30 gegenüber der stationären Hüllscheibe 32 und einem
18 Abdeckteil 21, das das Gehäuse 20 hermetisch abdeckt, ge-
19 bildet wird.
20
21 Durch eine vom Auffangbehälter 22 zur gegenüberliegenden
22 Seite des Rahmens 60 gebildete Leitung 26 wird das im Auf-
23 fangbehälter 22 gestaute Hochdruckfluid entlang der durch
24 die Pfeile A gekennzeichneten Richtung geleitet, um den
25 elektrischen Motor 70 zu kühlen und um seinen Hochdruck
26 zum Schmiermittel 25 innerhalb des Schmierstoffbehälters
27 zu übertragen. Das unter Hochdruck stehende Fluid wird dann
28 aus dem Gehäuse 20 durch eine Verteilungsöffnung 23 entlang
29 der durch die Pfeile B gekennzeichneten Richtung hinausbe-
30 fördert, um es jedem entsprechenden nachgeschalteten Teil
31 zuzuleiten.
32
33 Zwischen der Oberfläche des kreisenden Spiralradteils 10
34 gegenüber der kreisenden Spiralradhülle 11 und dem Rahmen
35 10 wird ein Bereich 63 umgrenzt, der als Gegendruckkammer
36 dienen soll. Die Gegendruckkammer 63 steht in Fluid-
37 verbindung mit der Einformung 14, z.B. durch einen Durchlaß
38 65, die auf der Anformung 54 an der Kurbelwelle 50 gebildet
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1 wird, und durch den Schmiermittelkanal 53 steht die Einfor-
2 mung 14 wiederum in Fluidverbindung mit dem Schmierstoffbe-
3 hälter 24, so daß das Schmiermittel 25, das durch das Hoch-
4 druckfluid, das aus der abgedichteten Kammer 90 durch den
5 Abflußbereich 33 und den Durchlaß 26 austritt, unter Druck
6 gesetzt wird, zur Einformung 14 und die Gegendruckkammer
7 beträchtlich gefüllt wird.
8
9 Die resultierende Kraft, die auf das kreisende Spiralradt-
10 eil 10 in Richtung des stationären Spiralradteils 30 durch
11 das verdichtete Schmiermittel wirkt, beaufschlagt dieses
12 gegen das stationäre Spiralradteil 30, so daß der Axial-
13 spalt zwischen dem freien Ende der Spiralradhülle , wie
14 z.B. die in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 13 bezeichnete
15 Hülle, und der Endscheibe gegenüber den freien Ecken ver-
16 mindert wird gegen den Druck des Fluids, das innerhalb der
17 abgedichteten Verdichtungskammer 90 verdichtet wird. 18
19 Ebenfalls bezugnehmend auf Fig. 7 und 8 wird mindestens
20 eine Einformung 81 auf der Flanschschulter 64 des Rahmens
21 60 gebildet. Die Einformung 81 erstreckt sich seitlich in
22 die Gegendruckkammer 63, wobei sie eine Öffnung 82 auf-
23 weist, die beim Umkreisen des kreisenden Spiralradteils
24 um den Mittelpunkt der stationären Hüllscheibe 32 und beim
25 Passieren der seitlichen Öffnung 82 durch den seitlichen
26 Rand der Endscheibe 12 des kreisenden Spiralradteils ver-
27 deckt wird und dann wieder freigegeben. Wenn also das krei-
28 sende Spiralradteil 10 den Mittelpunkt der stationären
29 Scheibenhülle 32 umkreist, wird die seitliche Öffnung 82
30 zyklisch geschlossen und wieder geöffnet. 31
32 Auf dem stationären Spiralradteil 30 wird ein kapillarähn-
33 licher Durchlaß 80 gebildet, dessen Querschnittsabmessung
34 weniger als die der Einformung 81 beträgt, um die Einfor-
35 mung 81 mit dem Saugkanal 41 zu verbinden. Da der Saugkanal
36 41 normalerweise unter Niederdruck steht und das
37 Schmiermittel 25 unter Hochdruck, beinahe so hoch wie der
38 Druck des Verdichtungsfluids aus der abgedichteten
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1 Verdichtungskaminer 90, dienen die Einformung 81 und der
2 kapillarähnliche Durchlaß 80 als Verbindung zwischen der
3 Gegendruckkammer 63, deren Druckniveau um 50 % über dem des
4 Saugkanals 41 jedoch unter dem des verdichteten Fluids
5 liegt, und dem Niederdruck-Saugkanal 41, so daß bei offen-
6 stehender seitlicher Öffnung 82 der Einformung 80 das
7 Druckniveau der Gegendruckkammer reduziert wird. Das regel-
8 mäßige öffnen und Schließen der Einformung 81 sorgt für
9 einen dynamischen Fluidwiderstand gegenüber der Fluidver-
10 bindung zwischen der Gegendruckkammer 63 und dem Saugkanal
11 41. Weiter sorgt der kapillarähnliche Durchlaß 80 aufgrund
12 seiner kleinen Querschnittsabmessung für einen statischen
13 Fluidwiderstand gegenüber der Fluidverbindung zwischen der
14 Gegendruckkammer 63 und dem Saugkanal 41. Die Kombination
15 von dynamischem Fluidwiderstand der Einformung 81 und sta-
16 tischem Fluidwiderstand des kapillarähnlichen Durchlasses
17 80 führt dazu, daß der Druckabfall in der Gegendruckkammer
18 63, der durch die Verbindung mit dem Niederdruckkanal 41
19 entsteht, kontrollierbar wird und folglich der Gegendruck
20 nicht auf das Druckniveau des Saugkanals abfällt. 21
22 Mit entsprechend großen und entsprechend vielen Einformun-
23 gen 81 und kapillarähnlichen Durchlassen 80, kann in der
24 Gegendruckkammer 63 ein ungefähr konstanter Gegendruck
25 innerhalb eines bestimmten Bereiches gehalten werden. Aus
26 einem solchen konstanten Gegendruck resultiert eine kon-
27 stante Kraft, die auf das kreisende Spiralradteil 10 wirkt
28 und dadurch den Spalt zwischen den freien Ecken der Hüll-
29 scheiben und der Endscheiben auf einem akzeptablen Niveau
30 hält, das hoch genug ist, so daß zwischen den Spiralradtei-
31 len keine Reibung erzeugt wird und klein genug, um die
32 Fluid, die dazwischen verdichtet werden soll, gut abzudich-
33 ten.
34
35 Experimente haben gezeigt, daß der Durchmesser (eines run-
36 den Querschnitts) und die Anzahl der kapillarähnlichen
37 Durchlasse den Druckabfall des Gegendrucks bestimmen. Der
38 Gegendruck, der im Falle von nur einem kapillarähnlichen
Patentanwalt Dipl.-Ing. E. Tergau 14 7 . August 1992
Az. 92545-7 ,: .··. -
1 Durchlaß mit einem Durchmesser von 4 mm gemessen wird, be-
2 trägt ungefähr 9,5 Kgf/cm2, während der Druck, der im Falle
3 eines 2 mm breiten Durchlasses gemessen wird, ungefähr 11,5
4 Kgf/cm2 beträgt. Der letztere Wert ist annähernd so hoch
5 wie ein theoretischer Gegendruckwert und wie ein Gegen-
6 druckwert eines kommerziellen Spiralradverdichters. 7
8 Da der kapillarähnliche Durchlaß 80 und die Einformung 81
9 die Gegendruckkammer 63 mit dem Saugkanal 41 verbindet,
10 fließt eine geringe Menge an Schmiermittel 25 in den Saug-
11 kanal 41 und dann in den Bereich zwischen den Spiralradtei-
12 len, in denen sich das zu verdichtende Fluid befindet.
13 Diese geringe Menge an Schmiermittel 25 füllt den Spalt
14 zwischen den Hüllscheiben und den Endscheiben aus und ge-
15 währleistet so die Schmierung und das Bilden eines Schmier-
16 mittelfilms zwischen diesen, um den Spalt weiterhin abzu-
17 dichten und ein Durchsickern des zu verdichtenden Fluids zu
18 verhindern.
19
20 Obwohl die Erfindung in Verbindung einer ausgewählten Ver-
21 dichtungsvorrichtung beschrieben wurde, ist es für Fach-
22 leute einleuchtend, daß bestimmte Konstruktionsmerkmale der
23 ausgewählten Verdichtungsvorrichtung verändert werden kön-
24 nen, ohne vom Geist der Erfindung, deren Ansprüche im An-
25 hang beschrieben werden, abzuweichen und deren Rahmen zu
26 verlassen.
27
Patentanwalt Dipl.-Ing. E. Tergau 1 7 . August 1992
Ae. 92545-7
3 Ansprüche
5 1. Selbstabdichtender Spiralradverdichter mit einem in &bgr;&iacgr;&ogr;
nem Gehäuse (20) angeordneten Rahmen (60) und einem statio-
7 nären Spiralradteil (30) mit einer Endscheibe (31) und ei-
8 ner senkrecht daran befestigten Hüllscheibe (32), die dem
9 Rahmen (60) gegenüber sicher mit der Hüllscheibe (32) des
10 stationären Spiralradteils (30) verbunden ist, so daß ein
11 Spalt entsteht zur Aufnahme für ein darin umlaufendes Spi-
12 ralradteil (10), welches eine Endscheibe (12) mit einer
13 Hüllscheibe (11) in demselben Abstand mit der Hüllscheibe
14 (H) des besagten Spiralradteils (10), das sich von dort
15 erstreckt, um so wenigstens dazwischen eine abgedichtete
16 Verdichtungskammer (90) zu bilden, die beweglich und
17 größenveränderlich ist, welches umlaufende Spiralradteil
18 (10) von einem Antrieb (70) beaufschlagt um einen Mittel-
19 punkt der Hüllscheibe (32) des stationären Spiralradteils
20 (30) kreist, mit einer Drehsicherung (61), die zwischen dem
21 umlaufenden Spiralradteil (10) und dem Rahmen (60) einge-
22 fügt ist, um die Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralradt-
23 eils (10) zu führen, mit einer zur Ableitung eines zu ver-
24 dichtenden Fluids, das niedrigen Druck aufweist, in die
25 Verdichtungskammer (90) vorgesehenen Saugöffnung, welche
26 sich infolge der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralradt-
27 eils (10) von einem Niederdruckbereich zu einem Hochdruck-
28 bereich bewegt, wobei das Fluid zum Hochdruckbereich mitbe-
29 wegt wird und so auf einen hohen Druck verdichtet wird, so-
30 wie mit einer in dem stationären Spiralradteil (30) vorge-
31 sehenen Auslaßöffnung (33) zum Ableiten des ersten in der
32 Verdichtungskammer (90) verdichteten Fluids gekennzeichnet
33 durch
34
35 eine Gegendruckkammer (63), die zwischen dem umlaufenden
36 Spiralradteil (10) und dem Rahmen (60) gebildet ist, um
37 darin ein zweites Hochdruckfluid aus einer zweiten Fluid-
38 quelle (24) aufzunehmen,
Patentanwalt Dipl.-Ing. E. Tergau 2 7 . August 1992
Az. 92345-7
2 wenigstens einen Schlitz (81), der zur Verbindung mit der
3 Gegendruckkammer (63) in dem Rahmen (60) mit einer Öffnung
4 (80) auf eine solche Weise gebildet ist, daß beim Erreichen
5 dieser Öffnung (80) während des Umlaufs des von dem Antrieb
6 (70) beaufschlagten umlaufenden Spiralradteils (10) um den
7 Mittelpunkt der stationären Hüllscheibe (32) diese Öffnung
8 (80) durch das umlaufende Spiralradteil (10) geschlossen
9 ist und daß beim Entfernen des umlaufenden Spiralradteils
10 (10) die Öffnung wieder geöffnet ist und in Verbindung
11 steht mit der Gegendruckkammer (63), 12
13 wenigstens einen kapillarähnlichen Durchlaß (80) mit einem
14 Querschnitt, dessen Abmessung kleiner ist als besagter
15 Schlitz (81), welcher Durchlaß (80) an dem stationären Spi-
16 ralradteil (30) angeformt ist zur Verbindung mit dem Nied-
17 rigdruckbereich, wobei der kapillarähnliche Durchlaß (80)
18 eine solch kleine Querschnittsabmessung aufweist, daß sich
19 innerhalb des kapillarähnlichen Durchlasses (80) bei geöff-
20 neter Öffnung (82) für eine Fluidverbindung zwischen der
21 Niederdruck-Saugöffnung (41) und der Gegendruckkammer (63)
22 ein statischer Fluidwiderstand entwickelt, der in Verbin-
23 dung mit einem dynamischen Fluidwiderstand infolge des
24 Schließens und Wiederöffnens der Öffnung (82) dazu dient,
25 den Gegendruck auf annähernd gleichbleibendem Wert zu hal-
26 ten.
27
29 2. Spiralradverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
30 zeichnet, daß als Antrieb ein aus einer elektrischen Strom-
31 guelle gespeister Elektromotor (70) mit einem mit dem Ge-
32 häuse fest verbundenen Stator (70) und mit einem mit einer
33 Kurbelwelle (50) koaxial verbundenen Rotor (73) vorgesehen
34 ist, daß die Kurbelwelle (50) ein erstes Ende und ein ent-
35 gegengesetztes zweites Ende besitzt, an welches zweite Ende
36 eine Anformung (54) angeformt ist, die in eine auf der
37 Oberfläche des umlaufenden Spiralradteils (10) gegenüber
38 der umlaufenden Hüllscheibe (11) eingebrachte Einformung
Patentanwalt Dipl.-Ing. E. Tergau 3 7 . August 1992
Az. 92545-7
1 (14) reicht zur Bildung einer Übertragungskupplung für die
2 Umlaufbewegung, daß die Anformung (54) eine in bezug auf
3 die Achse (53) der Kurbelwelle (50) exzentrische Achse auf-
4 weist, so daß während des Antriebs durch den Elektromotor
5 (70) beim Drehen die Anformung (54) um die Kurbelwellen-
6 achse (53) umläuft und das umlaufende Spiralradteil (10) um
7 den Mittelpunkt der stationären Hüllscheibe (32) kreist. 8
10 3. Spiralradverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
11 zeichnet, daß das zweite Fluid ein Schmierstoff (25) ist,
12 der in einem Schmierstofftank (24) angeordnet ist, der die
13 zweite Fluidquelle bildet zur Schmierung des Spiralradver-
14 dichters und daß das unter Hochdruck verdichtete erste
15 Fluid von der an dem stationären Spiralradteil (30) ange-
16 brachten Ablauföffnung (33) durch einen Durchlaß (26) zu
17 dem Schmierstofftank (24) geleitet wird, um den Schmier-
18 stoff unter Druck zu setzen und so den Schmierstoff durch
19 einen Schmierstoffkanal (51) in den Schmierstofftank (24)
20 zu fördern.
21
23 4. Spiralradverdichter nach Anspruch 3, dadurch
24 gekennzeichnet, daß der Schlitz (81) und der kapillarartige
25 Durchlaß (80) einen Durchlaßweg bilden für die Förderung
26 kleiner Mengen an Schmierstoff (25) zwischen den Hüllschei-
27 ben (11, 32) und den Endscheiben (12, 31) der Spiralradt-
28 eile (10, 30), um so darin einen Fluidfilm zur Schmierung
29 und zur Minderung der Reibung zwischen den Spiralradteilen
30 (10, 30) zu bilden.
31
32 5. Spiralradverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
33 zeichnet, daß der Antrieb ein aus einer elektrischen Strom-
34 quelle gespeister Elektromotor (70) mit einem mit dem Ge-
35 häuse (20) fest verbundenen Stator (70) und mit einem mit
36 einer Kurbelwelle (50) koaxial verbundenen Rotor (73) vor-
37 gesehen ist, daß die Kurbelwelle (50) ein erstes Ende und
38 ein entgegengesetztes zweites Ende besitzt, an welches
Patentanwalt Dipl.-Ing. E. Tergau 4 7 . August 1992
Az. 92545-7
1 zweite Ende eine Anformung (54) angeformt ist, die in eine
2 auf der Oberfläche des umlaufenden Spiralradteils (10) ge-
3 genüber der umlaufenden Hüllscheibe (11) eingebrachte Ein-
4 formung (14) reicht zur Bildung einer Übertragungskupplung
5 für die Umlaufbewegung, daß die Anformung (54) eine in be-
6 zug auf die Achse (53) der Kurbelwelle (50) exzentrische
7 Achse aufweist, so daß während des Antriebs durch den Elek-
8 tromotor (70) beim Drehen die Anformung (54) um die Kurbel-
9 wellenachse (54) umläuft und das umlaufende Spiralradteil
10 (10) um den Mittelpunkt der stationären Hüllscheibe (32)
11 und daß das zweite Fluid ein Schmierstoff (25) ist, der in
12 einem Schmierstofftank (24) angeordnet ist, der die zweite
13 Fluidguelle bildet und in welches das zweite Ende der Kur-
14 beiwelle (50) zur Schmierung des Spiralradverdichters, und
15 daß das unter Hochdruck verdichtete erste Fluid von der an
16 dem stationären Spiralradteil (30) angebrachten Ablauföff-
17 nung (33) durch einen Durchlaß (26) zu dem Schmierstofftank
18 (24) geleitet wird, um den Schmierstoff (25) unter Druck zu
19 setzen und so den Schmierstoff (25) durch einen Schmier-
20 stoffkanal (51), der in die Kurbelwelle (50) eingeformt
21 ist, in den Schmierstofftank (24) zu fördern. 22
24 6. Spiralradverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
25 dadurch gekennzeichnet, daß als Drehsicherung (61) ein Old-
26 ham-Kupplungsring vorgesehen ist. 27
29 7. Spiralradverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
30 dadurch gekennzeichnet, daß nur ein kapillarartiger Durch-
31 laß (80) mit einem Durchmesser von 4mm an dem Rahmen (60)
32 eingeformt ist.
33
35 6. Spiralradverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
36 dadurch gekennzeichnet, daß zwei kapillarartige Durchlasse
37 (80) mit einem Durchmesser von je 2mm an dem Rahmen (60)
38 eingeformt sind.