EP0579888B1 - Rotierende Spiralpumpe - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
- F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
- F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
- F04C18/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
- F04C18/0269—Details concerning the involute wraps
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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- F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
- F04C18/023—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where both members are moving
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- F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
Definitions
- a spiral pump with rotating displacement disks is known from DE-C-2603462, Fig.5. It is characterized by an almost pulsation-free conveyance of the gaseous working medium, which consists, for example, of air or an air / fuel mixture, and can therefore be used with advantage for charging purposes of internal combustion engines.
- the gaseous working medium which consists, for example, of air or an air / fuel mixture.
- several, roughly crescent-shaped work rooms included. move from an inlet to an outlet, their volume constantly decreasing and the pressure of the working fluid being increased accordingly.
- the delivery rate for a given delivery rate and the maximum boost pressure are determined by the drive ratio, especially since the internal pressure ratio is fixed by the selected spiral geometry.
- a displacement disk is mounted on an axle stub.
- the second disc is non-rotatably connected to a drive shaft.
- the second disc is taken along in the same direction and at the same rotational speed. Both disks perform a relative movement in the form of a circular displacement.
- FIGS. 6 and 7 Another such loader is known from CH-A-501 838.
- the variant shown in FIGS. 6 and 7 is a multi-speed, single-stage machine.
- One of the two rotating disks is connected to a central drive shaft.
- the second disk is taken along in the same direction of rotation by means of power transmission via the spiral ribs.
- the fixed axis on which the second disc is mounted is hollow in order to lead the working medium to be conveyed out of the machine.
- An orbiting machine known from DE-A-35 25 933 also has the multi-stage as its object and the feature that the outer stage has one more conveying space than the inner stage. However, this machine has no actual gaps between the two stages suitable for cooling purposes.
- the invention has for its object to provide a spiral pump of the type mentioned, with which high pressures can be achieved and in which temperature-related tolerance problems due to different thermal expansion can be controlled.
- the object is achieved in that means for dissipating the compression heat are provided in the space between the exit of the radially outer step and the entry of the radially inner step, these means being arranged in a rotationally fixed manner on at least one of the displacement disks.
- a machine which is of a multi-stage design and has coolant between the radially outer and the radially inner stage.
- this machine is a so-called orbiting machine, which is characterized by a circular movement of a displacer in a fixed delivery space.
- the inevitably occurring temperature differences between fixed and orbiting spiral parts can have a disadvantageous effect.
- intermediate cooling between the two stages is provided in GB-A-2,034,409.
- the conveyed medium is led out of the machine for cooling purposes immediately after the first stage. There it is cooled in an external cooler and in turn fed to the high pressure stage in the machine.
- the compression heat generated up to that point can be dissipated via the coolant in the space between the exit of the radially outer step and the entry of the radially inner step.
- the coolants can be ribs around which spirals extend on one of the displacement disks in the intermediate space.
- the space in the form of a flowed box can be arranged on the mutually facing end faces of the displacement disks, this box is provided on its outer walls with cooling fins.
- the same elements are denoted by the same reference numerals, but, depending on the exemplary embodiment, by different indices A, B and C.
- the direction of flow of the working fluid is indicated by arrows.
- the working medium is conveyed from the radially outside to the radially inside, but this is not mandatory.
- the machine shown in FIGS. 1 to 4 is a two-stage pump, in which the radially outer stage is double-geared, the radially inner stage is single-geared.
- 1A denotes the housing composed of two halves. The two halves are connected to one another via fastening eyes, not shown, for receiving screw connections.
- a stub shaft 2A is arranged in a housing hub 10A and protrudes into the interior of the housing.
- the left housing half is penetrated in its housing hub 11A by a drive shaft 3A.
- the longitudinal axes 4A, respectively. 5A of the stub shaft 2A and the drive shaft 3A are offset from one another by the eccentricity e.
- the fact that the eccentricity e in FIG. 1 has a small value is due to the oblique intersection in FIG. 4.
- the rotatable displacement disk 6A is placed loosely on the stub axle 2A.
- Your hub 8A is supported by two roller bearings 13A and 14A on the stub shaft and axially secured.
- the left displacement disk 7A is integrally connected to the drive shaft 3A.
- the shaft 3A is supported in the housing hub 11A by means of two roller bearings 15A and 16A and is axially secured.
- the displacement disks 6A and 7A essentially consist of a flat plate 17A or 18A, which run parallel to one another in the assembled state (FIG. 1) and of ribs which are perpendicular to the respective plate are held. These ribs are spiral, i.e. they can either be classic spirals or they can be composed of several circular arcs connected to each other.
- the ribs 19A and 20A on the driving displacement disk 7A and the ribs 21A and 22A on the driven displacement disk 6A are designed in two stages.
- the ribs 19A of the outer step have an arc length of 450 °, the radially inner 90 °, i.e. the last arc section has a significantly smaller radius of curvature. With this measure, an internal compression is already carried out in the first stage.
- the plate 18A is equipped with two such ribs 19A, the ribs being offset from one another by 180 °. This leads to the designation "two-course". In such a two-speed machine, two parallel spaces 23A are formed in the arrangement shown, through which the medium is conveyed.
- the cooperating ribs 21A of the outer stage on the driven displacement disk 7A are configured accordingly, i.e. with a total arc length of 450 ° and with a last arc section which has a substantially smaller radius of curvature.
- the nested spiral ribs in the assembled state can be seen in FIG. 4.
- the two opposite conveying spaces 23A open against the spaces 24A at a distance of 1/2 rotation.
- the spirals open on the outer diameter likewise at a distance of 1/2 rotation against the inlets 25A from which they draw in fresh air.
- the crescent-shaped working spaces result in the conveying spaces 23A, which are displaced through the spirals from the inlets 25A in the direction of spaces 24A.
- the working medium reaches the second stage, which is of a single-thread design.
- the spiral rib 20A of this inner step has an arc length of 360 °.
- the rib 22A of the driven displacement disk 6A is formed, which also has only an effective arc length of 360 °, but which, according to FIG. 2, has a total wrap angle of two revolutions, since it must form the walls delimiting on both sides for the conveying space 26A.
- the transition from the rib 21A to the rib 22A is not possible without material accumulation 27. In order to balance the mass, this inevitable asymmetry can be taken into account in that the inner spiral 22A is provided with a correspondingly dimensioned, thickened spiral outlet 28 at its arch end.
- the medium conveyed through the single conveying space 26A of the second stage enters the outlet 29A and is subsequently led out of the machine through the hollow stub shaft 2A.
- the number and the staggering of these cooling fins take into account the spatial conditions in the interspaces, as can be seen in particular in FIG. 2.
- the flow around the cooling fins can be seen from FIG.
- the medium flowing out of the upper step outlet flows through the right space, which is divided into three actual cooling channels by means of two cooling fins.
- this pre-cooled medium mixes with the partial flow that flows out of the lower step outlet.
- the mixture then flows through the left space, which is divided into four cooling channels by means of 3 cooling fins.
- Their outlets are staggered in such a way that the partial flows can still unite in the gap and that there is a homogeneous flow at the inlet cross-section of the second stage.
- the cooling fins 30A dissipate the heat to the displacement plate 17A.
- their rear side is provided with a plurality of radially extending ventilation blades 31.
- the displacement plate 18A also has such Ventilation wing on. These vanes suck in fresh air via openings 32 in the immediate area of the housing hubs 10A, 11A, guide them past the walls of the displacement disks to be cooled and expel them again via openings 33 on the outer housing diameter.
- the fresh air conveyed in this way flows around the housing hubs 10A, 11A and dissipates part of the heat generated in the bearings 13A to 16A.
- the machine shown in FIGS. 5 to 7 is a two-stage pump, in which the radially outer stage has four gears, the radially inner stage has two gears.
- the spirals 21B and 22B arranged on the displacement disk 6B are shown in broken lines in FIGS. 5 and 7.
- the four outer conveying spaces 23B which are each offset by 90 ° in the circumferential direction, open into the two intermediate spaces 24B from which the two inner conveying spaces 26B are acted upon. These two conveying spaces 26B are offset from one another in the circumferential direction by 180 ° in each case.
- the four successive conveying spaces 23B open at a 1/4 revolution against the spaces 24A.
- the spirals also open at a 1/4 turn against the inlets, not shown, from which they draw in fresh air.
- three equidistant cooling fins 30B each extend over the entire length of the interstices, which are arranged on one of the two displacement disks, here, for example, the driven disk 7B, and which each form four cooling channels of the same width.
- the spatially separated steps and the spaces together with the cooling fins are each on the same plate side of the displacement disks.
- FIGS. 8 and 9 A modified flow guide is shown in FIGS. 8 and 9.
- the machine there is a two-stage pump, in which the radially outer stage is double-geared and the radially inner stage is single-threaded.
- 1C denotes the housing composed of two halves. Housing hubs 10C, 11C are arranged in the two halves and protrude into the interior of the housing.
- the two displacement plates 17C and 18C of the rotatable displacers 7C and 6C are provided with stub shafts 12 and 9 on their rear side. These stub axles are supported by bearings 15C, 16C and 13C, 14C in the housing hubs 11C, 10C.
- the longitudinal axes 5C, respectively. 4C of the two shaft ends are offset by the eccentricity e.
- the system is driven by a drive shaft 3C, which is mounted outside the displacement disks by means of ball bearings 38 in the housing 1C. On this shaft there are pulleys 39 which drive the pulleys 41 via toothed belts 40, which in turn are connected in a rotationally fixed manner to the displacement plates 17C and 18C.
- the cross section in Fig. 9 shows only the nested spirals on their respective displacer discs 7C and 6C.
- the spirals 19C and 20C of the displacement disc 7C are cross-hatched.
- the spiral ribs 19C, 20C of the outer step have an arc length of 11 ⁇ 4 turns, the last quarter, in turn, as in the machine according to FIG. 4, being designed with a significantly smaller radius of curvature.
- Each of the displacer plates 17C and 18C is equipped with two such spiral ribs 19C, 20C, the ribs of one plate being offset from one another by 180 °.
- the spiral arrangement is the outer step.
- the displacer plates 17C and 18C are constructed in such a way that, in the case of nested spirals, their inlet ends no longer lie in the same plane, but are also offset by 90 ° in the circumferential direction.
- the second stage is catchy.
- the spiral rib 20C of this inner step has an arc length of one turn, ie 360 °.
- the rib 22C of the other displacement disk 6C is formed accordingly, which also has only an effective arc length of 360 °, but which is an entire one Has wrap angle of two turns, since it must form the walls bounding on both sides for the delivery chamber 26C.
- the medium conveyed through the conveying space 26C of the second stage enters the outlet 29C and is subsequently led out of the machine housing through the hollow shaft stub 12.
- the intermediate cooling of the medium leaving the first stage takes place in annular co-rotating boxes 34, the inner spaces of which form the intermediate spaces 24C.
- One box each is arranged on the back of the displacement plates 17C and 18C, which is not provided with spiral ribs.
- the plates are provided with openings 35 at the respective spiral end.
- the medium is deflected in the box and flows back through a further opening 36 to the inlet-side end of the second stage.
- the boxes are provided with cooling fins 30C on their outer wall.
- an annular wall 37 is attached to one of the displacement plates 17C and seals against the cooperating displacement plate 18C. This can be done in the manner of the spiral ribs with sealing strips inserted in the grooves.
- the ring wall is located in a radial plane between the kidney-shaped openings 35 and 36.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine rotierende Spiralpumpe, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse, in dem zwei Verdrängerscheiben drehbar angeordnet sind, wobei die beiden Verdrängerscheiben jeweils an einer Seite mit spiralförmig verlaufenden Rippen versehen sind, welche zwecks Bildung von Förderräumen ineinandergreifen und mit ihren freien Stirnseiten gegen die gegenüberliegende Verdrängerscheibe dichten,
- wobei die spiralförmig verlaufenden Rippen mehrstufig ausgebildet sind, und wobei die mehreren Stufen unter Bildung eines Zwischenraumes räumlich voneinander getrennt sind,
- und wobei die radial äussere Stufe mindestens einen Förderraum mehr aufweist als die radial innere Stufe.
- Eine Spiralpumpe mit rotierenden Verdrängerscheiben ist aus der DE-C-2603462, Fig.5 bekannt. Sie zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und kann daher mit Vorteil für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen verwendet werden. Während des Betriebes eines solchen Verdichters werden entlang des Förderrraumes zwischen den spiralförmig ausgebildeten Rippen mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen. Diese bewegen sich von einem Einlass hindurch zu einem Auslass, wobei sich ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird. Bei diesen Spiralladern ist die Fördermenge bei gegebenem Liefergrad sowie der maximale Ladedruck durch die Antriebsübersetzung festgelegt, zumal das innere Druckverhältnis durch die gewählte Spiralgeometrie fest vorgegeben ist. Bei dieser bekannten Maschine ist eine Verdrängerscheibe auf einem Achsstummel gelagert. Die zweite Scheibe ist drehfest mit einer Antriebswelle verbunden. Anlässlich der Drehung der ersten Scheibe wird die zweite Scheibe im gleichen Drehsinn und mit der gleichen Drehgeschwindigkeit mitgenommen. Beide Scheiben führen dabei eine Relativbewegung in Form einer Kreisverschiebung aus.
- Ein anderer derartiger Lader ist bekannt aus der CH-A-501 838. Es handelt sich dort bei der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Variante um eine mehrgängige, einstufige Maschine. Eine der beiden rotierenden Scheiben mit einer zentralen Antriebswelle verbunden. Bei Drehung dieser einen Scheibe wird mittels Kraftübertragung über die spiralförmige Rippen die zweite Scheibe im gleichen Drehsinn mitgenommen. Die feststehende Achse, auf welcher die zweite Scheibe gelagert ist, ist hohl ausgebildet zwecks Herausführung des zu fördernden Arbeitsmittels aus der Maschine. Diese mehrgängigen Maschinen weisen den Vorteil auf, dass zum einen jede Verdrängerscheibe für sich vollkommen ausgewuchtet ist und zum andern, dass ein gleichmässigeres, nahezu pulsationsfreies Fördern möglich ist. Ausserdem ist die radiale Verschiebung der beiden Scheiben und damit die Exzentrizität zwischen den beiden Drehachsen kleiner als bei eingängigen Maschinen, was zu kleineren Gleitgeschwindigkeiten zwischen den spiralförmigen Rippen führt. Im Prinzip können deshalb mit dieser Art von Ladern höhere Drehzahlen gefahren werden.
- Aus dieser gleichen Druckschrift ist ebenfalls eine mehrstufige Spiralpumpe bekannt. Es handelt sich dort allerdings um eine eingängige Maschine, die zudem nicht rotierend, sondern orbitierend, d.h. mit einseitig feststehenden Spiralrippen funktioniert. Da bei mehrstufigen Maschinen zwischen den hintereinandergeschalteten Arbeitsräumen eine innere Kompression erfolgt, müssen für die Förderung von nichtkompressiblen Medien wie beispielsweise Flüssigkeiten besondere Vorkehrungen getroffen werden. Bei der Förderung von kompressiblen Medien bildet die zunehmende Temperatur in den nachgeschalteten Arbeitsräumen ein Problem.
- Eine aus DE-A- 35 25 933 bekannte orbitierende Maschine hat ebenfalls die Mehrstufigkeit zum Gegenstand sowie das Merkmal, dass die äussere Stufe einen Förderraum mehr aufweist als die innere Stufe. Jedoch weist diese Maschine keine eigentlichen für Kühl zwecke geeignete Zwischenräume zwischen den beiden Stufen auf.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spiralpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der hohe Drücke erzielbar sind und bei der temperaturbedingte Toleranzprobleme infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung beherrschbar sind.
- Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Zwischenraum zwischen dem Austritt der radial äusseren Stufe und dem Eintritt der radial inneren Stufe Mittel zur Abfuhr der Kompressionswärme vorgesehen sind, wobei diese Mittel an mindestens einer der Verdrängerscheiben drehfest angeordnet sind.
- Zwar ist aus den Fig. 5 und 6 der GB-A-2,034,409 eine Maschine bekannt, welche mehrstufig ausgebildet ist und Kühlmittel zwischen der radial äusseren und der radial inneren Stufe aufweist. Jedoch handelt es sich bei dieser Maschine um eine sogenannte orbitierende Maschine, welche sich durch eine kreisende Bewegung eines Verdrängerkörpers in einem feststehenden Förderrraum auszeichnet. Während des Betriebes einer solchen Maschine können sich die zwangsläufig auftretenden Temperaturdifferenzen zwischen feststehenden und orbitierenden Spiralenteilen nachteilig auswirken. Aus diesem Grund und um bei hochbelasteten Maschinen die Austrittstemperatur aus der Maschine zu verringern, ist bei GB-A-2,034,409 eine Zwischenkühlung zwischen den zwei Stufen vorgesehen. Dabei wird das geförderte Medium unmittelbar nach der ersten Stufe zwecks Kühlung aus der Maschine herausgeleitet wird. Dort wird es in einem externen Kühler gekühlt und wiederum der Hochdruckstufe in der Maschine zugeführt. Darüberhinaus ist bei der bekannten Maschine sowohl bei der radial äusseren Stufe als auch bei der radial inneren Stufe nur ein einziger Förderraum vorhanden
- Mit der räumlichen Trennung der Stufen hat man ein einfaches Mittel in der Hand, um das Druckgefälle je nach Anwendung auf die verschiedenen Stufen aufzuteilen, wobei die auf den Verdrängerscheiben zur Verfügung stehenden Raumverhältnisse optimal ausgenutzt werden können. Über die im Zwischenraum zwischen dem Austritt der radial äusseren Stufe und dem Eintritt der radial inneren Stufe Kühlmittel kann die bis dahin angefallene Kompressionswärme abgeführt werden. Dabei können die Kühlmittel umströmte Rippen sein, die sich auf einer der Verdrängerscheiben im Zwischenraum spiralförmig erstrecken. Oder der Zwischenraum kann in Form eines durchströmten Kastens an den einander abgekehrten Stirnseiten der Verdrängerscheiben angeordnet sein, wobei dieser Kasten an seinen Aussenwandungen mit Kühlrippen versehen ist.
- Es ist günstig, wenn die voneinander abgekehrten Seiten der Verdrängerscheiben mit Ventilationsflügeln versehen sind. Mit dieser Massnahme können die Verdrängerscheiben und vorgängig die Lagerpartien der Maschine gekühlt werden.
- In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen: - Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine erste Spiralpumpe gemäss Linie 1-1 in Fig. 4;
- Fig. 2
- eine Ansicht einer ersten Verdrängerscheibe;
- Fig. 3
- eine Ansicht einer zweiten Verdrängerscheibe;
- Fig. 4
- einen Querschnitt gemäss Linie 4-4 in Fig. 1;
- Fig. 5
- einen Querschnitt durch eine zweite Spiralpumpe;
- Fig. 6 und 7
- Ansichten der in Fig. 5 gezeigten Verdrängerscheiben in kleinerem Massstab.
- Fig. 8
- einen Längsschnitt durch eine dritte Spiralpumpe gemäss Linie 8-8 in Fig. 9;
- Fig. 9
- einen Querschnitt gemäss Linie 9-9 in Fig. 8;
- In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit denselben Bezugsziffern, jedoch je nach Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Indices A, B und C bezeichnet. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen angegeben. Bei allen gezeigten Beispielen erfolgt die Förderung des Arbeitsmediums von radial aussen nach radial innen, was jedoch nicht zwingend ist.
- Zwecks Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise der Pumpe, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits genannte CH-A-501 838 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis der Erfindung notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.
- Bei der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Maschine handelt es sich um eine zweistufige Pumpe, bei welcher die radial aussenliegende Stufe zweigängig, die radial innenliegende Stufe eingängig ausgebildet ist.
- In Figur 1 ist mit 1A das aus zwei Hälften zusammengesetzte Gehäuse bezeichnet. Die zwei Hälften sind über nicht dargestellte Befestigungsaugen zur Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbunden. In der rechten Gehäusehälfte ist in einer Gehäusenabe 10A ein Achsstummel 2A angeordnet, der in das Gehäuseinnere hineinragt. Die linke Gehäusehälfte ist in ihrer Gehäusenabe 11A von einer Antriebswelle 3A durchdrungen. Die Längsachsen 4A resp. 5A des Achsstummels 2A und der Antriebswelle 3A sind um die Exzentrizität e gegeneinander versetzt. Die Tatsache, dass die Exzentrizität e in Fig. 1 einen kleinen Wert aufweist, ist auf die schräge Schnittlegung in Fig. 4 zurückzuführen.
- Lose aufgesetzt auf den Achsstummel 2A ist die drehbare Verdrängerscheibe 6A. Ihre Nabe 8A ist mittels zwei Wälzlagern 13A und 14A auf dem Achsstummel gelagert und axial gesichert. Die linke Verdrängerscheibe 7A ist einstückig mit der Antriebswelle 3A verbunden. Die Welle 3A ist mittels zwei Wälzlagern 15A und 16A in der Gehäusenabe 11A gelagert und axial gesichert.
- Die Verdrängerscheiben 6A und 7A, deren Stirnansichten in den Fig. 2 und 3 ersichtlich sind, bestehen im wesentlichen aus je einer ebenen Platte 17A respektiv 18A, die im montierten Zustand parallel zueinander verlaufen (Fig. 1) sowie aus Rippen, die senkrecht auf der jeweiligen Platte gehalten sind. Diese Rippen verlaufen spiralförmig, d.h. sie können entweder klassische Spiralen sein oder aber aus mehreren aneinander anschliessenden Kreisbögen zusammengesetzt sein.
- Die Rippen 19A und 20A auf der antreibenden Verdrängerscheibe 7A und die Rippen 21A und 22A auf der angetriebenen Verdrängerscheibe 6A sind zweistufig ausgebildet.
- Auf der antreibenden Verdrängerscheibe 7A weisen die Rippen 19A der äusseren Stufe eine Bogenlänge von 450° auf, wobei die radial inneren 90°, d.h. der letzte Bogenabschnitt, einen wesentlichen kleineren Krümmungsradius aufweist. Mit dieser Massnahme wird in der ersten Stufe bereits eine innere Verdichtung durchgeführt. Die Platte 18A ist mit zwei solcher Rippen 19A bestückt, wobei die Rippen um 180° zueinander versetzt sind. Dies führt zur Bezeichnung "zweigängig". Bei solchen zweigängigen Maschinen sind bei der gezeigten Anordnung zwei parallele Räume 23A gebildet, durch die das Medium gefördert wird.
- Die kooperierenden Rippen 21A der äusseren Stufe auf der angetriebenen Verdrängerscheibe 7A sind entsprechend konfiguriert, d.h. mit einer gesamten Bogenlänge von 450° und mit einem letzten Bogenabschnitt, der einen wesentlichen kleineren Krümmungsradius aufweist.
- Die im montierten Zustand ineinandergeschachtelten Spiralrippen sind in Fig. 4 ersichtlich. Anlässlich des Betriebes während der Drehbewegung öffnen sich die beiden gegenüberliegenden Förderräume 23A im Abstand von 1/2-Umdrehung gegen die Zwischenräume 24A. Am äusseren Durchmesser öffnen die Spiralen ebenfalls im Abstand von 1/2-Umdrehung gegen die Einlässe 25A, aus denen sie Frischluft ansaugen. Infolge der mehrfachen, abwechselnden, gegenseitigen Annäherung der Rippen ergeben sich in den Förderräumen 23A die sichelförmigen Arbeitsräume, die durch die Spiralen hindurch von den Einlässen 25A in Richtung Zwischenräume 24A verschoben werden.
- Aus diesen Zwischenräumen 24A gelangt das Arbeitsmittel in die zweite Stufe, die eingängig ausgebildet ist. Auf der antreibenden Verdrängerscheibe 7A weist die spiralförmige Rippe 20A dieser inneren Stufe eine Bogenlänge von 360° auf. Entsprechend ausgebildet ist die Rippe 22A der angetriebenen Verdrängerscheibe 6A, die auch nur eine wirksame Bogenlänge von 360° aufweist, die jedoch gemäss Fig. 2 einen gesamten Umschlingungswinkel von zwei Umdrehungen aufweist, da sie die beidseitig begrenzenden Wandungen für den Förderraum 26A bilden muss. Der Übergang der Rippe 21A zur Rippe 22A ist ohne Materialanhäufung 27 nicht möglich. Zum Massenausgleich kann dieser unermeidlichen Asymmetrie dadurch Rechnung getragen werden, dass die innere Spirale 22A an ihrem Bogenende mit einem entsprechend dimensionierten, verdickten Spiralenaustritt 28 versehen ist.
- Das durch den einzigen Förderraum 26A der zweiten Stufe geförderte Medium gelangt in den Auslass 29A und wird anschliessend durch den hohl ausgebildeten Achsstummel 2A aus der Maschine herausgeführt.
- Es versteht sich, dass für eine ordentliche Funktionsweise nicht nur die radiale Dichtung zwischen den Rippen - d.h. das Abschliessen der Förderräume in Umfangsrichtung - wichtig ist. Auch die axiale Dichtigkeit der Förderräume ist von Bedeutung. Hierzu müssen die Rippen mit ihren Stirnseiten an den Platten 17A, 18A der jeweils gegenüberliegenden Verdrängerscheibe anliegen. Dies geschieht in der Regel durch nichtdargestellte Dichtstreifen, welche in entsprechenden Nuten in den freien Stirnseiten der Rippen einliegen.
- In den Zwischenräumen 24A befinden sich zwischen dem Austritt der radial äusseren Rippen 19A, 21A und dem Eintritt der radial inneren Rippen 20A, 22A Kühlmittel für das in der ersten Stufe anlässlich der Verdichtung aufgeheizte Arbeitsmittel. Es handelt sich dabei jeweils um eine Anzahl umströmter Rippen 30A, die nur auf der angetriebenen Verdrängerscheibe 6A angeordnet sind und sich spiralförmig in den beiden Zwischenräumen 24A erstrecken. Ihre axiale Länge kann dabei der axialen Länge der Spiralrippen entsprechen. Ihre Wandstärke, ihre Querschnittsform, welche von der dargestellten Rechteckform selbstverständlich abweichen kann, und das gewählte Material, sofern die Kühlrippen nicht einstückig mit der Verdrängerscheibe hergestellt werden, wird in Abhängigkeit der abzuführenden Wärme festgelegt. Bei der Anzahl und der Staffelung dieser Kühlrippen wird den Raumverhältnissen in den Zwischenräumen Rechnung getragen, wie dies insbesondere in Fig. 2 erkennbar ist. Aus der Fig. 4 ist die Umströmung der Kühlrippen erkennbar. Das aus dem oberen Stufenaustritt abströmende Medium durchströmt den rechten Zwischenraum, der mittels 2 Kühlrippen in drei eigentliche Kühlkanäle unterteilt ist. Am Austritt dieser Kühlkanäle vermengt sich dieses vorgekühlte Medium mit dem Teilstrom, der aus dem unteren Stufenaustritt abströmt. Das Gemisch durchströmt dann den linken Zwischenraum, der mittels 3 Kühlrippen in vier Kühlkanäle unterteilt ist. Deren Austritte sind so zurückgestaffelt, dass die Teilströme sich noch im Zwischenraum vereinigen können und dass am Eintrittsquerschnitt der zweiten Stufe eine homogene Strömung vorliegt.
- Die Kühlrippen 30A leiten die Wärme an die Verdrängerplatte 17A ab. Zur deren Kühlung ist ihre Rückseite mit mehreren, radial verlaufenden Ventilationsflügeln 31 versehen. Aus Symmetriegründen weist auch die Verdrängerplatte 18A solche Ventilationsflügel auf. Diese Flügel saugen über im unmittelbaren Bereich der Gehäusenaben 10A, 11A angebrachte Öffnungen 32 Frischluft an, führen sie an den zu kühlenden Wandungen der Verdrängerscheiben vorbei und stossen sie über Öffnungen 33 am äusseren Gehäusedurchmesser wieder aus. Die derart geförderte Frischluft umströmt dabei die Gehäusenaben 10A, 11A und führt dabei einen Teil der in den Lagern 13A bis 16A entstandenen Wärme ab.
- Bei der in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Maschine handelt es sich um eine zweistufige Pumpe, bei welcher die radial aussenliegende Stufe viergängig, die radial innenliegende Stufe zweigängig ausgebildet ist. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind die auf der Verdrängerscheibe 6B angeordneten Spiralen 21B und 22B in den Fig. 5 und 7 gestrichelt dargestellt. Die vier äusseren Förderräume 23B, welche jeweils um 90° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, münden in die beiden Zwischenräume 24B, aus denen die zwei inneren Förderräume 26B beaufschlagt werden. Diese zwei Förderräume 26B sind in Umfangsrichtung um jeweils 180° gegeneinander versetzt. Während der Drehbewegung öffnen sich die vier aufeinanderfolgenden Förderräume 23B im Abstand von 1/4-Umdrehung gegen die Zwischenräume 24A. An ihrem äusseren Durchmesser öffnen die Spiralen ebenfalls im Abstand von 1/4-Umdrehung gegen die nichtdargestellten Einlässe, aus denen sie Frischluft ansaugen.
- Anhand der Ansichten in den Fig. 6 und 7 ist erkennbar, dass die beiden Verdrängerscheiben 6B und 7B zentralsymmetrisch ausgebildet sind und somit keiner besonderen Auswuchtmassnahmen bedürfen.
- In den sich vom Austritt der ersten Stufe bis zum Eintritt der zweiten Stufe stetig verengenden Zwischenräumen 24B ist eine problemlose Kanalisierung und damit Zwischenkühlung der aus der ersten Stufe austretenden Teilströme durchführbar. Hierzu erstrecken sich über die ganze durchströmte Länge der Zwischenräume je drei äquidistante Kühlrippen 30B, die an einer der beiden Verdrängerscheiben, hier beispielsweise der angetriebenen Scheibe 7B angeordnet sind und welche je vier gleich breite Kühlkanäle bilden.
- Bei den beiden bisher betrachteten Beispielen befinden sich die räumlich getrennten Stufen und die Zwischenräume mitsamt den Kühlrippen jeweils auf der gleichen Plattenseite der Verdrängerscheiben.
- Eine abgewandelte Strömungsführung ist in den Fig. 8 und 9 gezeigt. Bei der dortigen Maschine handelt es sich um eine zweistufige Pumpe, bei welcher die radial aussenliegende Stufe zweigängig, die radial innenliegende Stufe eingängig ausgebildet ist.
- Gemäss Fig. 8 ist mit 1C das aus zwei Hälften zusammengesetzte Gehäuse bezeichnet. In den zwei Hälften sind Gehäusenaben 10C, 11C angeordnet, die in das Gehäuseinnere hineinragen. Die beiden Verdrängerplatten 17C und 18C der drehbaren Verdränger 7C respektiv 6C sind auf ihrer Rückseite mit Wellenstummeln 12 respektiv 9 versehen. Diese Wellenstummel sind über die Lager 15C, 16C respektiv 13C, 14C in den Gehäusenaben llC, 10C gelagert. Die Längsachsen 5C resp. 4C der beiden Wellenstummel sind um die Exzentrizität e gegeneinander versetzt. Der Antrieb des Systems erfolgt über eine Antriebswelle 3C, die mittels Kugellagern 38 im Gehäuse 1C ausserhalb der Verdrängerscheiben gelagert ist. Auf dieser Welle sitzen Riemenscheiben 39, die über Zahnriemen 40 jeweils die Riemenscheiben 41 antreiben, welche ihrerseits mit den Verdrängerplatten 17C und 18C drehfest verbunden sind.
- Der Querschnitt in Fig. 9 zeigt lediglich die ineinandergeschachtelten Spiralen auf ihren jeweiligen Verdrängerscheiben 7C und 6C. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind die Spiralen 19C und 20C der Verdrängerscheibe 7C kreuzschraffiert. Im dargestellten Fall weisen die Spiralrippen 19C, 20C der äusseren Stufe eine Bogenlänge von 1¼ Windungen auf, wobei das letzte Viertel wiederum, wie bei der Maschine nach Fig. 4, mit wesentlich geringerem Krümmungsradius ausgebildet ist. Jede der Verdrängerplatten 17C und 18C ist mit zwei solcher Spiralrippen 19C, 20C bestückt, wobei die Rippen einer Platte um 180° zueinander versetzt sind. Anders als bei der soeben genannten Maschine nach Fig. 4 ist indes die Spiralenanordnung der äusseren Stufe. Die Verdrängerplatten 17C und 18C sind so aufgebaut, dass bei ineinandergeschachtelten Spiralen deren eintrittseitigen Enden nicht mehr in der gleichen Ebene liegen, sondern ebenfalls um 90° in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
- Bei solchen zweigängigen Maschinen sind zwei parallele Förderräume 23C gebildet. Anlässlich des Betriebes öffnen sich diese Arbeitsräume am radial inneren Ende im Abstand von 1/4-Umdrehung gegen den jeweiligen Stufenauslass. Am äusseren Durchmesser öffnen die Spiralen im gleichen Takt gegen die Einlässe 25C, aus denen sie Frischluft ansaugen. Zumindest was die äussere Stufe betrifft, zeichnet sich eine solche Maschine dadurch aus, dass zum einen jede Verdrängerscheibe für sich vollkommen ausgewuchtet ist und zum andern, dass ein gleichmässigeres, nahezu pulsationsfreies Fördern möglich ist.
- Die zweite Stufe ist eingängig ausgebildet. Auf der einen Verdrängerscheibe 7C weist die spiralförmige Rippe 20C dieser inneren Stufe eine Bogenlänge von einer Windung, d.h. von 360° auf. Entsprechend ausgebildet ist die Rippe 22C der anderen Verdrängerscheibe 6C, die auch nur eine wirksame Bogenlänge von 360° aufweist, die jedoch einen gesamten Umschlingungswinkel von zwei Windungen aufweist, da sie die beidseitig begrenzenden Wandungen für den Förderraum 26C bilden muss.
- Das durch den Förderraum 26C der zweiten Stufe geförderte Medium gelangt in den Auslass 29C und wird anschliessend durch den hohl ausgebildeten Wellenstummel 12 aus dem Maschinengehäuse herausgeführt.
- Die Zwischenkühlung des die erste Stufe verlassenden Mediums erfolgt in ringförmigen mitrotierenden Kästen 34, deren Innenräume die Zwischenräume 24C bilden. Je ein Kasten ist auf der nicht mit Spiralrippen versehenen Rückseite der Verdrängerplatten 17C und 18C angeordnet. Zur Einführung des zu kühlenden Mediums in den Kasten sind die Platten am jeweiligen Spiralenende mit Durchbrüchen 35 versehen. Im Kasten wird das Medium umgelenkt und strömt über einen weiteren Durchbruch 36 zurück zum einlassseitigen Ende der zweiten Stufe. Zur Abfuhr der Wärme sind die Kästen an ihrer Aussenwandung mit Kühlrippen 30C versehen. Zur Abschottung der beiden Stufen gegeneinander ist an einer der Verdrängerplatten 17C eine Ringwand 37 angebracht, die gegen die kooperierende Verdrängerplatte 18C dichtet. Dies kann nach Art der Spiralrippen mit in Nuten eingelegten Dichtstreifen geschehen. Die Ringwand befindet sich in einer Radialebene zwischen den nierenförmigen Durchbrüchen 35 und 36.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Achsstummel
- 3
- Antriebswelle
- 4, 5
- Längsachse
- 6, 7
- Verdrängerscheibe
- 8
- Nabe von 6
- 9
- Wellenstummel (Fig. 8)
- 10,11
- Gehäusenabe
- 12
- Wellenstummel (Fig. 8)
- 13, 14
- Wälzlager für 8
- 15, 16
- Wälzlager für 3
- 17, 18
- Verdrängerplatte
- 19, 20
- Rippen der antreibenden Verdrängerscheibe 7
- 21, 22
- Rippen der angetriebenen Verdrängerscheibe 6
- 23
- Förderräume
- 24
- Zwischenräume
- 25
- Einlässe
- 26
- Förderraum
- 27
- Materialanhäufung
- 28
- verdickter Spiralenaustritt
- 29
- Auslass
- 30
- Kühlrippe im Zwischenraum
- 31
- Ventilationsflügel
- 32
- Öffnung in 1
- 33
- Öffnung in 1
- 34
- Kasten
- 35
- Durchbruch
- 36
- Durchbruch
- 37
- Ringwand
- 38
- Kugellager
- 39
- Riemenscheibe
- 40
- Zahnriemen
- 41
- Riemenscheibe
- e
- Exzentrizität
- A
- Indices für 1. Ausführungsbeispiel (Fig.1 bis 4)
- B
- Indices für 2. Ausführungsbeispiel (Fig.5 bis 7)
- C
- Indices für 3. Ausführungsbeispiel (Fig.8 und 9)
Claims (4)
- Rotierende Spiralpumpe, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse (1), in dem zwei Verdrängerscheiben (6, 7) drehbar angeordnet sind, wobei die beiden Verdrängerscheiben jeweils an einer Seite mit spiralförmig verlaufenden Rippen (19, 20, 21, 22) versehen sind, welche zwecks Bildung von Förderräumen (23, 26) ineinandergreifen und mit ihren freien Stirnseiten gegen die gegenüberliegende Verdrängerscheibe dichten,- wobei die spiralförmig verlaufenden Rippen mehrstufig ausgebildet sind, und wobei die mehreren Stufen unter Bildung eines Zwischenraumes (24) räumlich voneinander getrennt sind,- und wobei die radial äussere Stute mindestens einen Förderraum mehr aufweist als die radial innere Stufe (23 resp. 26),dadurch gekennzeichnet,
dass im Zwischenraum (24) zwischen dem Austritt der radial äusseren Stufe und dem Eintritt der radial inneren Stufe Mittel (30) zur Abfuhr der Kompressionswärme vorgesehen sind, wobei diese Mittel an mindestens einer der Verdrängerscheiben (6, 7) drehfest angeordnet sind. - Spiralpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel umströmte Rippen (30A, 30B) sind, die sich spiralförmig auf einer Verdrängerscheibe (7A, 7B) im Zwischenraum (24A, 24B) vom Austritt der radial äusseren Stufe bis zum Eintritt der radial inneren Stufe erstrecken.
- Spiralpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (24C) in Form eines durchströmten Kastens (34) an den einander abgekehrten Stirnseiten der Verdrängerscheiben angeordnet ist und dass die Kühlmittel Rippen (30C) sind, mit denen die Ausssenseite des Kastens (34) bestückt ist.
- Spiralpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Verdrängerscheibe (6A), welche die Kühlrippen (30A) trägt, auf der Rückseite mit Ventilationsflügeln (31) versehen sind.
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