EP2179138B1

EP2179138B1 - Verdrängermaschine nach dem spiralprinzip mit beidseitiger lageranordnung

Info

Publication number: EP2179138B1
Application number: EP08757302.8A
Authority: EP
Inventors: Fritz Spinnler
Original assignee: Spinnler Engineering
Current assignee: Spinnler Engineering
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: US8529233B2; WO2009012606A2; CN101765700A; WO2009012606A3; CN101765700B; US20100183466A1; EP2179138A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompressible Medien gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Verdrängermaschinen dieser Art sind beispielsweise aus der DE-A-33 13 000 , der EP 0 557 598 A oder der EP 0 371 305 A bekannt, von denen letztere als nächstliegender Stand der Technik betrachtet werden kann, und weisen ein aus zwei Hälften bestehendes Gehäuse auf, in dem ein Verdrängerkörper angeordnet ist. Der Verdrängerkörper ist mittels einer Lagerung auf einer Exzenterscheibe gelagert, die mit einer antreibbaren Antriebswelle verbunden ist. Die Antriebswelle ist mittels zweier Lager, die sich bezüglich der Exzenterscheibe gegenüberliegen, im Gehäuse gelagert. Zwischen jedem Lager und der Exzenterscheibe ist je ein mit der Antriebswelle verbundenes Gegengewicht angeordnet. Die sich auf ihrer Antriebsseite durch die Gehäusewand hindurch erstreckende Antriebswelle trägt an ihrem antriebsseitigen Ende eine Antriebsscheibe, die mit einem Antrieb in Verbindung steht.
Während des Betriebs einer solchen Verdrängermaschine werden in der Verdränger- oder Förderkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch die Förderkammer hindurch zum Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird. Ein nach diesem Prinzip arbeitender Verdichter zeichnet sich durch eine pulsationsarme Förderung des gasförmigen Arbeitsmittels, z.B. Luft, aus und könnte daher mit Vorteil unter anderem für Aufladezwecke bei Brennkraftmaschinen herangezogen werden.
Um zu verhindern, dass sich die Antriebswelle im Betrieb durchbiegt, insbesondere bei hohen Drehzahlen, sind bei den vorstehend erwähnten bekannten Verdrängermaschinen die Gegengewichte sehr nahe an der Exzenterscheibe angeordnet. Hinsichtlich der Anordnung der Lager gilt, dass der Abstand zwischen demjenigen Lager, das bezüglich der Exzenterscheibe auf der Seite der Antriebsscheibe liegt, und dieser Antriebsscheibe nicht zu gross werden darf, da sonst die Gefahr einer Durchbiegung der Antriebswelle im Betrieb besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die ausserhalb des Gehäuses liegende Antriebsscheibe verhältnismassig weit vom Gehäuse angeordnet werden kann und sich die Antriebswelle im Betrieb nicht zu stark durchbiegt, auch bei hohen Drehzahlen nicht.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Zwar ist es aus der Fig. 6 der DE 32 31 756 A1 ein Spirallader bekannt mit einer vollständig ins Laderinnere gerichteten Lageraufnahme. Jedoch handelt es sich bei dieser Ausführung um einen einseitig gelagerten Exzenter, auf dessen freien Seite sich die Fliehgewichte befinden. Die Lagerung der Haupt- Exzenterwelle findet zwar in zwei Lagerstellen statt, im Gegensatz zur vorliegenden Ausführung jedoch in nur einer Gehäusehälfte. Eine solche Ausführung ist für die sichere Beherrschung der heute verlangten höheren Förderdrücke nicht geeignet.
Der geringe Abstand zwischen erstem und zweiten Lager, welcher dadurch erreicht wird, dass die Mittelpunkte der beiden Lager in einer Vertikalebene innerhalb des jeweiligen Förderraums liegen. sowie die Abstützung der Antriebswelle an ihrem aus dem Gehäuse herausragenden, antriebsseitigen Ende mittels eines weiteren Lagers ermöglicht es, den Abstand zwischen dem Antrieb und demjenigen Lager im Innern des Gehäuses, das bezüglich der Exzenterscheibe auf der Seite des Antriebs liegt, freier zu wählen.
Bevorzugte Weiterausgestaltungen der erfindungsgemässen Verdrängermaschine bilden Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Im Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt rein schematisch:

Fig. 1: in Vorderansicht den antriebsseitigen Gehäuseteil einer Verdrängermaschine,
Fig. 2: die Verdrängermaschine gemäss Fig. 1 in einem Längsschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3: einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 2.

Die in den Fig. 1 und 2 in Vorderansicht bzw. im Schnitt gezeigte Verdrängermaschine weist ein aus zwei Gehäusehälften 1a, 1b bestehendes Gehäuse 1 auf, in dem ein Verdrängerkörper 2 gelagert ist. Die beiden Gehäusehälften 1 a, 1 b sind auf nicht näher dargestellte Weise miteinander verschraubt. In der Darstellung der Fig. 1 ist die eine Gehäusehälfte 1a (Fig. 2) entfernt.
Der Verdrängerkörper 2 weist eine Trägerscheibe 3 auf, die auf jeder Seite ein spiralförmig verlaufendes Verdrängerelement 4, 5 trägt. Die Verdrängerelemente 4, 5 sind als von der Scheibe 3 abstehende Leisten in Form von Spiralblättern ausgebildet. Zur Lagerung der Scheibe 3 ist eine Antriebswelle 6 vorgesehen, deren Drehachse mit 6a bezeichnet ist. Die Antriebswelle 6 ist in den Gehäusehälften 1 a, 1 b mittels eines ersten Lagers 7 und eines zweiten Lagers 8 gelagert und weist eine Exzenterscheibe 9 auf, deren Symmetrieachse mit 9a bezeichnet ist. Der Abstand zwischen der Drehachse 6a der Antriebswelle 6 und der Symmetrieachse 9a der Exzenterscheibe 9 (Exzentrizität) ist in der Fig. 1 mit e bezeichnet.
Auf der Exzenterscheibe 9 ist mittels eines Nabenlagers 10, das im vorliegenden Fall ein Wälzlager ist, die Nabe 11 der Scheibe 3 gelagert. Angetrieben wird die Scheibe 3 und somit der Verdrängerkörper 2 über die Antriebswelle 6 und die Exzenterscheibe 9. Dabei wird die Antriebskraft über das Nabenlager 10 auf die Nabe 11 der Scheibe 3 übertragen. Die Führung des Verdrängerkörpers 2 erfolgt über eine Schwinge 12, die am einen Ende drehbar auf einer Welle 13 gelagert ist (Fig. 1). Am andern Ende trägt die Schwinge 12 einen Bolzen 14, der drehbar in einem Auge 15 der Scheibe 3 gelagert ist.
Das Gehäuse 1 weist einen Einlass 16 und einen Auslass 17 für das Fördermedium, vorzugsweise Luft, sowie zwei Förderräume 18, 18' auf. In der Scheibe 3 ist ein Durchlass 19 (oder mehrere Durchlässe) vorhanden, durch den das Fördermedium vom Förderraum 18 in den Förderraum 18' gelangen kann.
Zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Verdrängerkörpers 2 entstehenden Massenkräfte sind auf der Antriebswelle 6 zwei Gegengewichte 20, 21 angeordnet, die so nahe als möglich an die Exzenterscheibe 9 heran gerückt sind, damit im Betrieb eine Durchbiegung der Antriebswelle 6 so klein wie möglich gehalten oder gar verhindert wird. Der Abstand zwischen den Lagern 7 und 8 und dem jeweils benachbarten Gegengewicht 20 bzw. 21 und damit auch der Abstand zwischen den Lagern 7, 8 und der Exzenterscheibe 9 ist ebenfalls so klein als möglich gehalten, was weiter dazu beiträgt, eine Durchbiegung der Antriebswelle 6 im Betrieb klein zu halten bzw. zu verhindern.
Dieser geringe Lagerabstand wird dadurch erreicht, dass die Lageraufnahmen 48a und 48b, mit denen die beiden Gehäusehälften 1 a und 1 b versehen sind, vollständig in das Gehäuseinnere in die Förderräume 18' bezw. 18 hineinkragen und dass die Mittelpunkte der beiden Lager 7, 8 in einer Vertikalebene innerhalb des jeweiligen Förderraums 18', 18 liegen. Dies im Gegensatz zu denen bekannten Lösungen, bei denen sich die Lageraufnahmen und die Lager jeweils entweder in der Ebene der Gehäusewände oder sogar ausserhalb davon befinden.
Die Antriebswelle 6 erstreckt sich bezüglich der Exzenterscheibe 9 auf der Seite des zweiten Lagers 8 durch die Wand des Gehäuseteils 1b hindurch und trägt an ihrem aus dem Gehäuse 1 herausragenden Ende eine Antriebsscheibe 23. Die auf der Aussenseite des Gehäuses 1 angeordnete Antriebsscheibe 23 ist auf nicht näher dargestellte Weise, z.B. mittels eines Antriebsriemens, mit einem nicht gezeigten Antrieb verbunden.
Beim gezeigten Beispiel ist die Antriebswelle 6 an ihrem antriebsseitigen, die Antriebsscheibe 23 tragenden Ende mittels eines dritten Lagers 24 abgestützt, das vorzugsweise ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager ist. Das dritte Lager 24 sitzt im Bereich der Antriebsscheibe 23 auf der Antriebswelle 6, vorzugsweise etwa in der Mittelebene der Antriebsscheibe 23, um den Einfluss der Spannkraft eines über die Antriebsscheibe 23 geführten Antriebsriemens (nicht gezeigt) auf die Durchbiegung der Antriebswelle 6 zu minimieren bzw. zu eliminieren. Das dritte Lager 24 ist in einem in Richtung der Achse 6a der Antriebswelle 6 vom Gehäuse 1 abstehenden Stützteil 25 gehalten, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Gehäuseteil 1b einstückig ist. Der Stützteil 25 kann aber auch als ein vom Gehäuse 1 getrennter Bauteil ausgebildet sein, der am Gehäuse 1 befestigt ist.
Das dritte Lager 24 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel als Axiallager ausgebildet, das zur axialen Ausrichtung der Antriebswelle 6 im Gehäuse 1 dient. Der Aussenring des dritten Lagers 24 ist in axialer Richtung im Stützteil 25 abgestützt und mittels eines Sicherungsringes 26 gesichert. Der Innenring 24b des dritten Lagers 24 liegt zwischen einer auf die Antriebswelle 6 aufgeschobenen Distanzhülse, die an einer an der Antriebswelle 6 ausgebildeten Schulter anliegt, und der Nabe 23a der Antriebsscheibe 23. Die Distanzhülse, der Innenring 24b des dritten Lagers 24 und die Nabe 23a der Antriebscheibe 23 sind mittels einer auf ein Gewinde 29 am Ende der Antriebswelle 6 aufgeschraubten Schraubenmutter 30 gegen die Schulter verspannt.
Das dritte Lager 24 ist wie in Fig. 2 gezeigt fettgeschmiert. Um zu verhindern, dass das dritte Lager 24 während des Betriebs austrocknet, ist mit konstruktiven Mitteln dafür gesorgt, dass auf beiden Seiten des dritten Lagers 24 derselbe Druck, nämlich der Umgebungsdruck, herrscht. Zu diesem Zweck ist im Stützteil 25 ein Durchlass ausgebildet, der den Raum auf derjenigen Seite des dritten Lagers 24, die der Distanzhülse zugekehrt ist, mit der Umgebung verbindet. Somit wirkt der in dieser Umgebung herrschende Druck sowohl auf die der Distanzhülse zugekehrte erste Seite wie auch auf die dieser ersten Seite in axialer Richtung gegenüberliegende zweite Seite des dritten Lagers 24.
Die zusätzliche Abstützung der Antriebswelle 6 an ihrem antriebsseitigen Ende ermöglicht es, den Abstand zwischen dem zweiten Lager 8 und der Befestigungsstelle der Antriebsscheibe 23 auf der Antriebswelle 6 einerseits oder der Magnetkupplung andererseits freier zu wählen, ohne die Gefahr einer Durchbiegung der Antriebswelle 6 in Kauf nehmen zu müssen.
Damit verhindert werden kann, dass während des Betriebs Fördermedium aus dem Förderraum 18, 18' nach aussen in die Umgebung austreten kann, ist im Bereich des Durchtrittes der Antriebswelle 6 durch die Wand des Gehäuses 1 eine Labyrinthdichtung angeordnet. Diese besteht aus zwei in Längsrichtung der Antriebswelle 6 hintereinander angeordneten Drosselstellen. Jede Drosselstelle weist ein ortsfestes Dichtungsorgan auf, das in eine Nut in der mit der Antriebswelle 6 mitdrehenden Distanzhülse heingreift. Die Dichtungsorgane sind vorzugsweise durch Kolbenringe gebildet und sind unter Vorspannung im Stützteil 25 gehalten. In den Raum zwischen den Drosselstellen mündet eine Verbindungsleitung, die am andern Ende in den Einlass 16 mündet. Diese Verbindungsleitung verbindet demnach den Einlass 16 mit dem Raum zwischen den Drosselstellen. Das bedeutet, dass im Betrieb zwischen den Drosselstellen ein Druck herrscht, der etwa dem Druck im Einlass 16 entspricht, der niedriger ist als der Umgebungsdruck. Durch die erste Drosselstelle austretendes Fördermedium wird über die Verbindungsleitung in den Einlass 16 zurück geführt und kann nicht in Längsrichtung der Antriebswelle 6 nach aussen austreten.
Das zweite Lager 8 für die Antriebswelle 6 ist ebenfalls fettgeschmiert, wobei dafür gesorgt ist, dass das zweite Lager 8 während des Betriebs nicht austrocknet. Zu diesem Zweck sind geeignete konstruktive Massnahmen getroffen, damit auf beiden Seiten des zweiten Lagers 8 derselbe Druck herrscht. Die dem Gegengewicht 21 zugekehrte erste Seite des zweiten Lagers 8 wird durch den Druck im Förderraum 18 beaufschlagt. Damit auch auf der andern, zweiten Seite des zweiten Lagers 8 derselbe Druck herrscht ist eine Verbindungsleitung 38 vorgesehen, die den Förderraum 18 mit dieser andern, zweiten Seite des zweiten Lagers 8 verbindet.
Sowohl das erste Lager 7 für die Antriebswelle 6 wie auch das Nabenlager 10 für die Exzenterscheibe 9 werden auf nicht näher dargestellte Weise mit einem flüssigen Schmiermittel, vorzugsweise Schmieröl, geschmiert. Die Lager 7 und 10 sind mittels ringförmiger Dichtelemente 39 gegenüber den Förderräumen 18, 18' abgedichtet.
Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, wird jedes Gegengewicht 20, 21 durch einen mit der Antriebswelle 6 drehfest verbundenen Befestigungsteil 46 und einen Massenteil 47, der mit dem Befestigungsteil 46 aus einem Stück besteht, gebildet. Der Befestigungsteil 46 jedes Gegengewichtes 20, 21 hat in axialer Richtung gesehen eine möglichst geringe Abmessung, was es ermöglicht, das erste und zweite Lager 7 bzw. 8 so nahe als möglich an die Exzenterscheibe 9 heran zu rücken. Mit dieser Massnahme kann die Durchbiegung der Antriebswelle 6 während des Betriebs quasi verhindert werden.
Der innere Radius R des Massenteils 47 (Fig. 3) ist so bemessen, dass er grösser ist als die in Fig. 2 mit D bezeichnete radiale Abmessung der Nabe 11 der Scheibe 3 und auch grösser als der Aussendurchmesser der Lageraufnahmen 48a, 48b. Das erlaubt es, den Massenteil 47 in radialer Richtung ausserhalb der Nabe 11 anzuordnen, wie das aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Abmessung des Massenteils 47 jedes Gegengewichtes 20, 21 kann daher in axialer Richtung gesehen grösser als die axiale Abmessung des Befestigungsteils 46 gewählt werden. Dies ermöglicht es, den Befestigungsteil 46 ganz nahe an der Exzenterscheibe 9 und der Nabe 11 anzuordnen und trotzdem bei der Ausgestaltung des Massenteils 47 eine gewisse Freiheit zu haben.
Die Grösse des durch die Gegengewichte 20, 21 bewirkten Massenausgleichs kann durch eine geeignete Dimensionierung der Massenteile 47 bestimmt werden. Im vorliegenden Beispiel weisen die Gegengewichte einen T-förmigen Querschnitt auf, wobei die Querbalken die eigentlichen Massenteile 47 darstellen und so konfiguriert sind, dass sie sowohl die Nabe 11 als auch die Lageraufnahmen 48a, 48b beidseitig überdecken, zumindest teilweise.
Die in den Figuren gezeigten und vorstehend beschriebenen Verdrängermaschinen eignen sich insbesondere als Aufladeaggregate für Brennkraftmaschinen.

Claims

Verdrängermaschine für kompressible Medien, mit wenigstens einem, in einem aus zwei Gehäusehälften (1 a, 1 b) bestehendem feststehenden Gehäuse (1) angeordneten, spiralförmigen Förderraum (18, 18') mit einem Einlass (16), der in den radial äusseren Bereich des spiralförmigen Förderraums (18, 18') mündet und einem Auslass (17), der im radial inneren Bereich des Förderraums (18, 18') angeordnet ist, und mit einem, dem Förderraum (18, 18') zugeordneten Verdrängerkörper (2), im wesentlichen bestehend aus einer Trägerscheibe (3) und beidseits davon abragenden Spiralblättern (4, 5), wobei der Verdrängerkörper mittels einer Lagerung (10) auf einer Exzenterscheibe (9) gelagert ist, die mit einer antreibbaren und um eine Rotationsachse (6a) drehbare Antriebswelle (6) verbunden ist, die beidseits der Exzenterscheibe (9) mittels eines ersten und zweiten Lagers (7, 8) im Gehäuse (1) drehbar gelagert ist, und mit beidseits der Exzenterscheibe (9) auf der Antriebswelle (6) sitzenden Gegengewichten (20, 21), die jeweils unmittelbar neben der Exzenterscheibe (9) zwischen dieser und einem der beiden Lager (7, 8) auf der Antriebswelle (6) angeordnet und drehfest mit der Antriebswelle (6) verbunden sind, wobei sich die Antriebswelle (6) antriebsseitig durch die Gehäusewand der Gehäusehälfte (1b) hindurch erstreckt und an ihrem antriebsseitigen Ende eine Antriebsscheibe (23) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gehäusehälfte (1a, 1b) mit einer Lageraufnahme (48a, 48b) versehen ist, welche in den jeweiligen Förderraum (18', 18) hineinkragt, sodass der Abstand zwischen den Lagern (7, 8) und dem jeweils benachbarten Gegengewicht (20, 21) so klein als möglich gehalten ist,
wobei die Mittelpunkte der beiden Lager (7, 8) bezüglich ihrer Ausdehnung parallel zur Rotationsachse (6a) jeweils in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Rotationsachse (6a) der Antriebswelle (6) verläuft, wobei diese Ebene jeweils innerhalb des jeweiligen Förderraums (18', 18) liegen.
Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gegengewicht (20, 21) einen in einem Abstand von der Drehachse (6a) der Antriebswelle (6) angeordneten Massenteil (47) aufweist, der mit einem drehfest mit der Antriebswelle (6) gekoppelten Befestigungsteil (46) verbunden ist, dessen axiale Abmessung in Richtung der Drehachse (6a) der Antriebswelle (6) kleiner ist als die entsprechende axiale Abmessung des Massenteils (47), und dass der Massenteil (47) in seiner axialen Erstreckung sowohl die Nabe 11 als auch die jeweilige Lageraufnahme (48a, 48b) zumindest teilweise beidseitig überdeckt.
Verdrängermaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegengewichte (20, 21) T-förmig ausgebildet sind und der Massenteil (47) sowohl die Nabe (11) als auch die Lageraufnahme (48, 48b) beidseitig in gleichem Masse überdeckt.
Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch einen in Richtung der Längsachse (6a) der Antriebswelle (6) vom Gehäuse (1) der Gehäusehälfte abstehenden, mit letzterem verbundenen Stützteil (25), der von der Antriebswelle (6) durchsetzt ist und in dem ein drittes Lager (24) abgestützt ist.
Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (8) fett geschmiert ist und die Lageraufnahme (48b) des zweiten Lagers (8) mit einer Verbindungsleitung (38) zwischen dem Förderraum (18) und dem zweiten Lager (8) versehen ist und auf beiden Seiten des zweiten Lagers (8) derselbe Druck herrscht.
Verdrängermaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine im Bereich des Durchtritts der Antriebswelle (6) durch das Gehäuse (1) zwischen letzterem und der Antriebswelle (6) angeordnete Labyrinthdichtung, die aus wenigstens zwei in Längsrichtung der Antriebswelle (6) hintereinander angeordneten Drosselstellen besteht, wobei in den Raum zwischen zwei benachbarten Drosselstellen eine Verbindungsleitung mündet, die mit dem Einlass (16) der Verdrängermaschine verbunden ist.
Verdrängermaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Lager (24) fettgeschmiert ist, wobei Mittel vorhanden sind, sodass auf beiden Seiten des dritten Lagers (24) Umgebungsdruck herrscht.
Verdrängermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Stützteil (25) ein Durchlass angeordnet ist, der den Raum auf einer Seite des dritten Lagers (24) mit der Umgebung verbindet.
Verdrängermaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (7) sowie das Nabenlager (10) der Verdrängermaschine mit einem flüssigem Schmiermittel geschmiert sind.