DE10103775A1 - Verfahren und Spiralverdichter zur Verdichtung eines kompressiblen Mediums - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verdichtung eines kompressiblen Mediums sowie ein Spiralverdichter zu dessen Durchführung angegeben, bei dem mindestens zwei Verdrängungselemente (1, 2; 101, 102a, 102b; 201, 202a, 202b, 202c), die jeweils mindestens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende Begrenzungsfläche (3, 4, 5, 6) aufweisen, relativ zueinander orbitiert werden und mindestens eine Kammer (7, 8, 33) ausbilden, wobei das Volumen der Kammer (7, 8, 33) durch die orbitierende Bewegung verändert wird und dabei einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase durchläuft, wobei die Kammer (7, 8) während der Ansaugphase geöffnet wird und einen Ansaugraum (34, 35) bildet. DOLLAR A Hierbei möchte man bei der Verdichtung eines kompressiblen Mediums die thermodynamischen Verhältnisse verbessern. DOLLAR A Hierzu wird der Ansaugraum (34, 35) durch ein Volumenbegrenzungselement über die Ansaugphase hinweg derart reduziert, daß die Kammer (7, 8) im Zeitpunkt des Abschlusses der Ansaugphase ein Volumen von mindestrens 90% eines während der Ansaugphase auftretenden maximalen Volumens aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ver­ dichtung eines kompressiblen Mediums, bei dem minde­ stens zwei Verdrängungselemente, die jeweils mindestens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende Begren­ zungsfläche aufweisen, relativ zueinander orbitiert werden und mindestens eine Kammer ausbilden, wobei das Volumen der Kammer durch die orbitierende Bewegung ver­ ändert wird und dabei einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase durchläuft, wobei die Kammer während der Ansaugphase geöffnet wird und einen Ansaugraum bildet. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Spiralverdichter mit mindestens zwei relativ zueinander mit einer orbitierenden Bewe­ gung geführten Verdrängungselementen, die jeweils min­ destens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende Begrenzungsfläche aufweisen, wobei die Verdrängungsele­ mente mindestens eine Kammer ausbilden, die im Verlauf der orbitierenden Bewegung über einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase ein veränderbares Volumen aufweist, wobei die Kammer während der Ansaugphase einen Ansaugraum mit mindestens einer Ansaugöffnung aufweist.

Ein derartiger Verdichter ist aus US 4 781 549 bekannt. Diese zeigt einen Spiralverdichter mit zwei orbitieren­ den Verdrängungselementen, die im Querschnitt jeweils sowohl innenseitig als auch außenseitig durch jeweils eine spiralförmige Begrenzungsfläche begrenzt werden. Beide Verdrängungselemente weisen eine Länge von etwa 27c im Bogenmaß auf. Außerdem nehmen beide Verdrängung­ selemente in einem inneren Profilendbereich kontinuier­ lich an Profilstärke zu. Die Verdrängungselemente bil­ den gemeinsam mindestens zwei Kammern. Jede Kammer durchläuft einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kom­ pressions- und einer Ausschubphase. Dabei weist die Kammer während der Ansaugphase eine Ansaugöffnung auf, die am Ende der Ansaugphase wieder geschlossen wird. Hierauf folgt die Kompressionsphase der Kammer. Kurz nach Beginn dieser Kompressionsphase werden die Kammern zu einer Kammer verbunden. Die Umlauflänge für einen vollständigen Zyklus einer Kammer beträgt etwa 4π im Bogenmaß.

In US 4 527 964 ist ein Spiralverdichter gezeigt, bei dem ein Verdrängungselement über eine Länge von etwa 3π im Bogenmaß spiralähnlich verläuft und relativ zu einem zweiten Verdrängungselement orbitiert wird. Beide Ver­ drängungselemente weisen Begrenzungsflächen auf, die von einer regelmäßigen Spiralform abweichen. Dabei weist das bewegte Verdrängungselement einen langen äu­ ßeren Abschnitt mit geringer Krümmung auf. Aufgrund der Geometrie der Verdrängungselemente wird am Ende einer Ansaugphase bei diesem Spiralverdichter eine relativ große Rückströmung zur Saugseite hin erzeugt.

In US 6 099 279 ist ein Spiralverdichter gezeigt, des­ sen Verdrängungselemente mehrere spiralähnliche Begren­ zungsflächen aufweisen. Auch diese verursachen am Ende einer Ansaugphase aufgrund Ihrer Geometrie eine relativ große Rückströmung.

In EP 0 069 531 ist ein Spiralverdichter mit zwei Ver­ drängungselementen gezeigt, die eine Länge von weniger als 3π im Bogenmaß aufweisen. Auch diese Verdrängungs­ elemente verursachen durch einen jeweils langen schwach gekrümmten äußeren Abschnitt eine relativ große Rück­ strömung.

Auch in DE 196 03 110 A1 ist ein Spiralverdichter ge­ zeigt, dessen Verdrängungselemente relativ lange, schwach gekrümmte äußere Abschnitte aufweisen.

Ferner sind beispielsweise aus US 5 938 417, US 5 547 353, US 5 836 752, US 3 884 599, US 5 318 424, DE 42 15 038 sowie aus dem Artikel "Der Scroll von Bock" (H. Kaiser, Die Kälte und Klimatechnik, Heft 6/1993, Seiten 334 bis 342) Spiralverdichter bekannt, die durchweg Verdrängungselemente mit einer Länge von etwa 3π im Bogenmaß aufweisen. Außerdem weisen die Verdrän­ gungselemente relativ schwach gekrümmte und regelmäßige äußere Abschnitte auf.

Der Verlauf der spiralförmigen Begrenzungsflächen der Verdrängungselemente eines derartigen Spiralverdichters basiert weitgehend auf fertigungstechnischen Gesichts­ punkten. Aufgrund der Geometrie der spiralförmigen Be­ grenzungsflächen wird jedoch am Ende einer Ansaugphase eine relativ große Rückströmung aus der Kammer durch die Ansaugöffnung erzeugt. Hierdurch verliert der Spi­ ralverdichter an Kapazität und Effizienz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei der Ver­ dichtung eines kompressiblen Mediums die thermodynami­ schen Verhältnisse zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß der Ansaugraum durch ein Volumenbegrenzungselement über die Ansaugphase hin­ weg derart reduziert wird, daß die Kammer im Zeitpunkt des Abschlusses der Ansaugphase ein Volumen von minde­ stens 90% eines während der Ansaugphase auftretenden maximalen Volumens aufweist.

Durch das Volumenbegrenzungselement wird das Volumen der Kammer zusätzlich zu den spiralähnlichen Begren­ zungsflächen der Verdrängungselemente beeinflußt. Somit wird beispielsweise die Anpassung des Kammervolumens an eine vorbestimmte Volumenfunktion ermöglicht. Das Kam­ mervolumen kann über die Ansaugphase hinweg derart ver­ ändert werden, daß es beim Schließen der Ansaugöffnung annähernd sein maximales Volumen aufweist. Auf diese Weise erhält man ein günstiges Volumenverhältnis zwi­ schen dem maximalen Kammervolumen und dem Kammervolumen zum Zeitpunkt des Schließens der Ansaugöffnung. Dieses hat zur Folge, daß am Ende der Ansaugphase lediglich eine geringe Rückströmung aus der Kammer erfolgt. Hier­ aus resultieren gute thermodynamische Verhältnisse und somit eine hohe Kapazität bezogen auf die Baugröße und eine hohe Effizienz des Verdichters, d. h. bei gegebener Baugröße ergibt sich ein relativ großes Saugvolumen und somit ein großer Massenstrom durch den Verdichter.

Es ist günstig, daß das Volumen der Kammer über einen vorbestimmten Umlaufweg vom Beginn der Kompressionspha­ se ab durch das Volumenbegrenzungselement reduziert wird. Hierdurch ist das Kammervolumen während der Kom­ pressionsphase steuerbar. Dabei kann das Kammervolumen über den Umlaufweg an eine Volumenfunktion angepaßt werden, die für den vorgesehenen Betrieb besonders ge­ eignet ist. Beispielsweise wird hierdurch zu Beginn der Kompressionsphase eine stärkere Reudzierung des Volu­ mens (relative Kompression) als am Ende der Kompressi­ onsphase ermöglicht.

Es ist vorteilhaft, daß die Reduzierung des Volumens der Kammer durch das Volumenbegrenzungselement ab Be­ ginn der Kompressionsphase spätestens nach einem vorbe­ stimmten Umlaufweg von 1π im Bogenmaß beendet wird. Auf diese Weise kann am Ende der Kompressionsphase eine ge­ ringere Reduzierung des Volumens, somit ein langsames Ausschieben erreicht werden. Das langsame Ausschieben des Gases vermeidet Druckspitzen auf der Druckseite.

Besonders günstig ist, daß die Ansaugöffnung vor dem Ende einer Ausschubphase geschlossen wird. Hierdurch wird verhindert, daß am Ende einer Ansaugphase auftre­ tende Beeinträchtigungen der Strömungsverhältnisse in einer der Kammern einen schädlichen Einfluß auf eine andere Kammer ausüben. Insbesondere wird eine Verringe­ rung der eingesaugten Gasmenge durch Reexpansion von verdichtetem Gas verhindert, die auftreten würde, wenn die Ansaugöffnung erst nach dem Ende der Ausschubphase geschlossen würde. Es ist also günstig, wenn die Ver­ drängungselemente in der Mitte nicht auseinander gehen, bevor die Saugöffnung außen wieder geschlossen ist.

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens eines der Verdrängungselemente einen Profil­ rücken aufweist, der in den Ansaugraum hineinragt.

Der Profilrücken bildet also ein Volumenbegrenzungsele­ ment. Hierdurch weist jedes Verdrängungselement einen Abschnitt auf, der unabhängig von einer Spiralform aus­ gebildet ist. Mit Hilfe dieses Abschnitts kann das Vo­ lumen der Kammer an eine vorbestimmte proezßbedingt ge­ wünschte Volumenfunktion angepaßt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein günstiges Volumenverhältnis des maximalen Kammervolumens zum Kammervolumen am Ende der Ansaugphase geschaffen werden. Hieraus resultiert wie­ derum eine geringere Rückströmung beim Schließen der Ansaugöffnung. Auf diese Weise kann eine höhere Kapazi­ tät und Effizienz des Spiralverdichters erreicht wer­ den.

Außerdem ist von Vorteil, daß der Profilrücken über ei­ nen vorbestimmten Umlaufweg zu Beginn der Kompressi­ onsphase in die Kammer hineinragt. Auf diese Weise kann über die Ausbildung des Profilrückens auch auf den Ab­ lauf der Kompressionsphase Einfluß genommen werden. Hierdurch kann in der Kompressionsphase eine vorbe­ stimmte Veränderung des Kammervolumens eingestellt wer­ den. Beispielsweise ist es hierbei möglich, zu Beginn der Kompressionsphase eine stärkere Volumenreduktion zu erzeugen als am Ende der Kompressionsphase. Die Kom­ pressionsphase kann dadurch verkürzt werden, was zu verminderten Leckageverlusten zwischen den Verdrängung­ selementen führt.

Günstig ist, daß der vorbestimmte Umlaufweg ab Beginn der Kompressionsphase maximal 1π im Bogenmaß beträgt. Auf diese Weise kann am Ende der Kompressionsphase eine geringere Volumenreduktion, sowie ein langsames Aus­ schieben des verdichteten Gases erzielt werden.

Von Vorteil ist, daß der Profilrücken an einen äußeren Profilendbereich anlegbar ist, der an die Form des Pro­ filrückens angepaßt ist. Durch dieses Zusammenwirken des Profilrückens mit einem an ihn angepaßten Gegen­ stück während einer Anlagephase wird für einen stabilen Kontakt zwischen beiden betroffenen Verdrängungelemen­ ten gesorgt. Außerdem können hierdurch innerhalb der Kammer gleichmäßige Strömungsverhältnisse gewährleistet werden.

Es ist weiterhin günstig, daß der äußere Profilendbe­ reich drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äu­ ßeren Ende her kommend ein zweiter Abschnitt eine stär­ kere Krümmung aufweist als ein erster und ein dritter Abschnitt. Hierbei sorgt der schwach gekrümmte äußere Abschnitt für ein Schließen der Ansaugöffnung in der Nähe des maximalen Kammervolumens. Durch den zwischen zwei schwach gekrümmten Abschnitten liegenden stärker gekrümmten Abschnitt wird außerdem der Rückfluß vermin­ dert. Somit erreicht man eine Verbesserung des Schließ­ verhaltens der Ansaugöffnung.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß der erste und der zweite Abschnitt jeweils eine Länge von etwa π/3 im Bo­ genmaß aufweisen. Durch diese relativ kurzen äußeren Abschnitte wird der Kammerbereich, aus dem eine Rück­ strömung erfolgen kann, relativ klein gehalten. Hier­ durch kann die Rückströmung vermindert werden.

Günstig ist, daß der Profilrücken an der äußeren Be­ grenzungsfläche eine stärkere Krümmung aufweist als an der inneren Begrenzungsfläche. Hierdurch ist es mög­ lich, daß über einen Umlauf des Spiralverdichters ein Berührungspunkt an der äußeren Seite des Profilrückens sich auf einer anderen Bahn bewegt als ein Berührungs­ punkt an der inneren Seite des Profilrückens. Auf diese Weise ist eine bessere Anpassung verschiedener Kammern in unterschiedlichen Phasen an eine vorbestimmte Volu­ menfunktion möglich.

Von Vorteil ist, daß der Profilrücken eines der Ver­ drängungselemente über einen vorbestimmten Umlaufweg an der inneren Begrenzungsfläche einen Berührungspunkt mit einem inneren Ende des jeweils anderen Verdrängungsele­ mentes aufweist. Auf diese Weise wird die stabile Aus­ bildung einer Kammer im Inneren des Spiralverdichters ermöglicht.

Weiterhin ist günstig, daß mindestens eines der Ver­ drängungselemente im Querschnitt mindestens zwei Teil­ elemente aufweist, die relativ zueinander unbeweglich sind. Hierdurch ist es möglich die Anzahl der Kammern in einem Spiralverdichter zu erhöhen. Auf diese Weise können die Kompressionsabläufe in verschiedenen Stadien in dem Spiralverdichter parallel verlaufen. Dies führt zu einer höheren Laufruhe des Verdichters.

Weiterhin ist von Vorteil, daß mindestens zwei der Teilelemente miteinander verbunden sind. Hierdurch kann eine gute Abstimmung der Kompressionsabläufe in ver­ schiedenen Kammern untereinander gewährleistet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der Verdrängung­ selemente eines Spiralverdichters mit zwei Verdrängungselementen,

Fig. 2a bis 2f Querschnitte der Verdrängungsele­ mente aus Fig. 1 zu unterschiedli­ chen Zeitpunkten eines Teils eines Zyklus,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissen der Kammern nach den Fig. 2a bis 2f über einen Zyklus,

Fig. 4 ein vergrößerter Ausschnitt des Diagramms nach Fig. 3 am Ende einer Ausschubphase,

Fig. 5a bis 5f Querschnitte der Verdrängungsele­ mente eines Spiralverdichters mit vier Teilelementen zu verschiedenen Zeitpunkten eines Teil eines Zy­ klus,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissen der Kammern nach Fig. 5a bis 5f über einen Zy­ klus,

Fig. 7a bis 7f Querschnitte der Verdrängungsele­ mente eines Spiralverdichters mit sechs Teilelementen zu unterschied­ lichen Zeitpunkten eines Teil eines Zyklus und

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissesn der Kammern nach den Fig. 7a bis 7f über einen Zyklus.

Fig. 1 zeigt zwei Verdrängungselemente 1, 2 eines Spi­ ralverdichters. Beide Verdrängungselemente 1, 2 sind nach innen durch eine innere Begrenzungsfläche 3, 5 und nach außen durch eine äußere Begrenzungsfläche 4, 6 be­ grenzt. Sowohl die inneren Begrenzungsflächen 3, 5 als auch die äußeren Begrenzungsflächen 4, 6 weisen einen spiralähnlichen Querschnitt auf.

Mit "spiralähnlich" wird hierbei eine ebene Kurve be­ zeichnet, deren Abstand von einem Mittelpunkt sich von einem äußeren Ende 9, 10 hin zu einem inneren Ende 11, 12 vermindert. Hierbei nimmt die Krümmung der Kurve von außen nach innen insgesamt zu. Eine abschnittsweise gleichbleibende oder größer werdende Krümmung ist aber möglich.

Die Länge beider Verdrängungselemente 1, 2 beträgt je­ weils etwas mehr als 2π jedoch nicht mehr als 3π im Bo­ genmaß.

Vom äußeren Ende 9, 10 her kommend weisen beide Ver­ drängungselemente 1, 2 über einen vorbestimmten Profil­ endbereich 20, 21 eine etwa gleichbleibende Profilstär­ ke auf. Anschließend nimmt die Profilstärke beider Ver­ drängungselemente 1, 2 im Bereich eines Profilrückens 13, 14 bis zu einem Rückenscheitel 15, 16 zu und anschließend wieder ab. In Richtung des inneren Endes 11, 12 beider Verdrängungselemente 1, 2 schließt sich an den Bereich des Profilrückens 13, 14 ein innerer Profi­ lendbereich 17, 18 an. In diesen inneren Profilendbe­ reichen 17, 18 nimmt die Profilstärke der Verdrängung­ selemente 1, 2 zunächst noch einmal zu und zum inneren Ende 11, 12 hin wieder ab.

Der Begriff "Profilrücken" 13, 14 umfaßt hierbei einen Profilabschnitt des jeweiligen Verdrängungselementes 1, 2 zwischen der inneren Begrenzungsfläche 3, 5 und der äußeren Begrenzungsfläche 4, 6. Somit umfaßt der Be­ griff "Profilrücken" auch eine Ausbauchung. Die Funkti­ on der beiden Verdrängungselemente 1, 2 über einen vollständigen Zyklus hinweg werden anhand der Fig. 2a bis 2f beschrieben.

Das Verdrängungselement 2 weist innerhalb seines inne­ ren Profilendbereichs 18 eine Ausströmkammer 19 auf. Diese ist mit einer nicht dargestellten Ausströmöffnung verbunden, die von der inneren Begrenzungsfläche 5 des Verdrängungselements 2 bis zur Ausströmkammer 19 reicht. Außerdem weist die Ausströmkammer 19 eine Ver­ bindung zu einem Ausströmpfad des Spiralverdichters auf. In nicht dargestellter Weise kann der Ausschub des Gases auch in axialer Richtung erfolgen, beispielsweise durch ein Loch in der Bodenplatte.

Ferner ist an der Ausströmöffnung ein ebenfalls nicht dargestelltes druckgesteuertes Ausströmventil ange­ bracht. Über dieses Ausströmventil ist die Ausströmöff­ nung unterhalb eines vorbestimmten Öffnungsdruckes ver­ schlossen.

In Richtung ihrer äußeren Enden 9, 10 weisen beide Ver­ drängungselemente 1, 2 jeweils den äußeren Profilendbe­ reich 20, 21 auf. Vom äußeren Ende 9, 10 der Verdrän­ gungselemente 1, 2 her kommend weisen beide äußeren Profilendbereiche 20, 21 einen ersten Abschnitt 22, 23, einen zweiten Abschnitt 24, 25 und einen dritten Ab­ schnitt 26, 27 auf. Dabei ist der jeweils zweite Ab­ schnitt 24, 25 stärker gekrümmt als der jeweils erste Abschnitt 22, 23, und der jeweils dritte Abschnitt 26, 27. Die Abschnitte 22, 23, 24, 25 weisen eine Länge von etwa π/3 im Bogenmaß auf, die Abschnitte 26, 27 eine Länge größer π/3, z. B. ½ bis ¾π.

Beide Verdrängungselemente 1, 2 liegen in zwei Berüh­ rungspunkten 28, 29 sowie in einer Berührungslinie 30 aneinander an. Die Bezeichnungen "Berührungspunkte" und "Berührungslinie" beziehen sich hierbei auf die Dar­ stellung im Querschnitt. Tatsächlich umfassen die Be­ rührungspunkte 28, 29 einen in etwa linienförmigen Be­ rührungsbereich und die Berührungslinie 30 eine Berüh­ rungsfläche.

Fig. 2 zeigt die Verdrängungselemente 1, 2 in verschie­ denen Positionen, die sie im Verlauf eines Teils (etwa der Hälfte) eines Zyklus einnehmen. Erläutert wird da­ bei die Kompressions- und Ausschubphase. Gleichzeitig erfolgt die Ansaugphase des nächsten Zyklus, so daß aus Fig. 2 im Grunde ein vollständiger Zyklus zu erkennen ist.

Zu einem Ausgangszeitpunkt weisen die beiden Verdrän­ gungselemente 1, 2 die in Fig. 2a dargestellte Anord­ nung zueinander auf. Hierbei wird darauf hingewiesen, daß jede der in den Fig. 2a bis 2f gezeigten Anordnun­ gen der Verdrängungselemente 1, 2 zueinander in aufeinanderfolgenden Zyklen immer wieder durchlaufen wird. Es könnte auch jede andere der in den Fig. 2a bis 2f dar­ gestellten Anordnungen als Anordnung im Ausgangszeit­ punkt verwendet werden.

In Fig. 2a bilden die beiden Verdrängungselemente 1, 2 des Spiralverdichters zwei Kammern 7, 8 aus. Diese sind durch jeweils einen der Berührungspunkte 28, 29 nach außen hin geschlossen. Die inneren Profilendbereiche 17, 18 beider Verdrängungselmente 1, 2 liegen in der Berührungslinie 30 aneinander an. Hierbei wird die nicht dargestellte Ausströmöffnung zu der Ausströmkam­ mer 19 durch den inneren Profilendbereich 17 des Ver­ drängungselements 1 verschlossen. Außerdem sind gestri­ chelte Hilfslinien 31, 32 eingezeichnet. Diese geben über den Bereich des jeweiligen Profilrückens 13, 14 den gedachten Verlauf der äußeren Begrenzungsfläche 4, 6 bei gleichbleibender Profilstärke beider Verdrän­ gungselemente 1, 2 wieder. Bezogen auf die jeweilige Hilfslinie 31, 32 ragt der Profilrücken 13 deutlich in die Kammer 7 und der Profilrücken 14 deutlich in die Kammer 8 hinein.

In Fig. 2b ist die Anordnung beider Verdrängungselemen­ te 1, 2 zueinander nach einer gewissen orbitierenden Bewegung gegenüber Fig. 2a wiedergegeben. Im vorliegen­ den Fall ist das Verdrängungselement 2 fest gelagert, während das Verdrängungselement 1 auf einer Umlaufbahn orbitierend bewegbar gelagert ist. Neben dieser Kon­ stellation ist auch ein bewegliches Verdrängungselement 2 und ein festgelagertes Verdrängungselement 1 möglich. Ferner können auch beide Verdrängungselemente 1, 2 be­ weglich gelagert sein.

In Fig. 2b weisen die beiden Verdrängungselemente 1, 2 keine Berührungslinie 30 mehr auf. Vielmehr sind beide Kammern 7, 8 in diesem Zeitpunkt zu einer Kammer 33 verbunden. Außerdem ist die nicht dargestellte Aus­ strömöffnung im inneren Profilendbereich 18 des Ver­ drängungselements 2 nicht mehr durch den inneren Pro­ filendbereich 17 des Verdrängungselements 1 verschlos­ sen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ausströmöffnung noch durch das ebenfalls nicht dargestellte druckgesteuerte Auslaßventil verschlossen. Daher weist die Kammer 33 noch keine Verbindung über die Ausströmöffnung mit der Ausströmkammer 19 auf.

Ferner sind die Berührungspunkte 28, 29 gegenüber ihrer Position in Fig. 2a von dem jeweiligen äußeren Ende 9, 10 weg weiter nach innen gewandert. Hierbei sind die Berührungspunkte 28, 29 auf der inneren Begrenzungsflä­ che 3, 5 in einem Übergangsbereich vom ersten Abschnitt 22, 23 zum zweiten Abschnitt 24, 25 und auf der jewei­ ligen äußeren Begrenzungsfläche 4, 6 ausgebildet. Am äußeren Ende 9, 10 beider Verdrängungselemente 1, 2 wird hierbei jeweils ein neuer Ansaugraum 34, 35 mit einer Ansaugöffnung 36, 37 ausgebildet. Somit werden durch die Ansaugräume 34, 35 zwei neue Kammern 7, 8 des nächsten Ansaugzyklus gebildet, die sich in einer An­ saugphase befinden. Gleichzeitig befindet sich die Kam­ mer 33 in einer Kompressionsphase.

In Fig. 2c ist die Anordnung der Verdrängungselemente 1, 2 nach einer weiteren Relativbewegung zueinander dargestellt. Die Ansaugräume 34, 35 der Kammern 7, 8 weisen gegenüber Fig. 2b nun ein größeres Volumen auf. Das Volumen der Kammer 33 ist dagegen gegenüber dem in Fig. 2b dargestellten Zeitpunkt geringer. Bezogen auf die Hilfslinien 31, 32 ragen die Profilrücken 13, 14 nun deutlich in den jeweiligen Ansaugraum 34, 35 der Kammern 7, 8 in der Ansaugphase. Die Berührungspunkte 28, 29 sind wiederum weiter vom jeweiligen äußeren Ende 9, 10 weg nach innen gewandert.

In den Fig. 2d bis 2f nimmt das Volumen der Kammer 33 immer stärker ab. Hierdurch wird ein in der Kammer 33 enthaltene kompressible Medium immer weiter verdichtet. Sobald der Druck in der Kammer 33 einen vorbestimmten Öffnungsdruck erreicht, öffnet das Ausströmventil an der Ausströmöffnung. Hierdurch kann das kompressible Medium aus der Kammer 33 über die Ausströmöffnung in die Ausströmkammer 19 und weiter in den Ausströmpfad des Spiralverdichters strömen. Dagegen nimmt das Volu­ men der Kammern 7, 8 in der Ansaugphase über die in den Fig. 2d bis 2f dargestellten Zeitpunkten weiter zu. Hierbei wird das kompressible Medium ständig von außen in die Ansaugräume 34, 35 gesaugt. Am Ende der Ansaug­ phase werden die Ansaugöffnungen 36, 37 der Ansaugräume 34, 35 wieder geschlossen. Hierbei werden die äußeren Enden 9, 10 wie in Fig. 2a dargestellt wieder an die jeweilige äußere Begrenzungsfläche 4, 6 des jeweiligen anderen Verdrängungselements 1, 2 angelegt. In diesem Zeitpunkt ist die Ansaugphase der Kammern 7, 8 abge­ schlossen.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Volumenverhältnisse (Volumenfunktion) der in den Fig. 2a bis 2f dargestell­ ten Kammern gezeigt. Das Volumenverhältnis ist hierbei aus einem Quotienten des augenblicklichen Volumens ei­ ner Kammer zum maximalen Volumen der Kammer gebildet. Die hier dargestellten Kurven entsprechen einem als günstig angesehenen Verlauf des Volumenverhältnisses der Kammern über einen Zyklus. Anhand dieser Volumen­ funktionen wurden die Profilstärken der beiden Verdrängungselemente 1, 2 über ihre Länge hinweg festgelegt. Insbesondere wurden die Profilrücken 13, 14 in Abhän­ gigkeit von diesen Volumenfunktionen ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich die Kammern des Spiralver­ dichters während der Kompressions- und der Ansaugphase an die jeweils gewünschte Volumenänderung anzupassen.

Aus der Volumenfunktion ist zu entnehmen, daß ein voll­ ständiger Zyklus I, in dem eine Kammer eine Kompressi­ ons- und eine Ansaugphase durchläuft, eine Umlauf länge von etwa 4,1π im Bogenmaß aufweist. Außerdem ist dem Diagramm in Fig. 3 zu entnehmen, daß eine Ausschubphase 40 des vorigen Zyklus II erst kurz nach dem Abschluß der parallelen Ansaugphase 38 des Zyklus I erfolgt. Auf diese Weise wird verhindert, daß mögliche Störungen beim Abschluß der Ausströmphase einer Kammer einen stö­ renden Einfluß auf das Saug-Volumen der nachfolgenden Kammer hat.

Ferner ist eine Ausschubphase 40 dargestellt, in der das Auslaßventil geöffnet ist.

Die Länge der Ventilöffnungsphase 40 ist jeweils abhän­ gig vom herrschenden Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Ausschubdruck.

Außerdem ist aus dem hier dargestellten Diagramm zu entnehmen, daß das Volumenverhältnis der Kammern 7, 8 beim Abschluß der Ansaugphase 38 bei der vorliegenden Ausführungsform einen Wert von etwa 0,93 aufweist. In jedem Fall sollte das Volumenverhältnis der Kammern 7, 8 in diesem Zeitpunkt nicht weniger als 0,9 betragen.

In Fig. 4 ist der Abschluß der Ausschubphase 39 des Zy­ klus II in einem vergrößerten Ausschnitt von Fig. 3 dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, daß der Abschluß der Ausschubphase 39 erst nach einer Umlaufbahnlänge von zwischen 2,1 und 2,2π im Bogenmaß erfolgt. Dagegen erfolgt der Start einer neuen Ansaugphase 41 eines neu­ en Zyklus III bereits nach einer Umlaufbahnlänge von genau 2π.

In den Fig. 5a bis 5f sind verschiedene Anordnungen der Verdrängungselemente 101, 102 eines Spiralverdichters mit zwei beweglichen Teilelementen 101a, 101b und zwei festen Teilelementen 102a, 102b des Verdrängungsele­ ments 102 dargestellt. Teile, die denen der Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen. Die beiden festen Teilelemente 102a, 102b sind in einem Winkel von 180° zueinander gedreht und ineinander verwunden angeordnet. Die beweglichen Teile­ lemente 101a, 101b des Verdrängungselements 101 sind zwischen den beiden festen Teilelementen 102a, 102b an­ geordnet. Dabei sind die beweglichen Teilelemente 101a, 101b ebenfalls zueinander im Winkel von 180° gedreht. Im Gegensatz zu den festen Teilelementen 102a, 102b sind die beiden beweglichen Teilelemente 101a, 101b je­ doch miteinander verbunden und bilden somit einen zu­ sammenhängenden Körper. Dieser Körper weist über seine gesamte Länge eine etwa gleichbleibende Profilstärke auf. Dagegen ist bei den festen Teilelementen 102a, 102b entsprechend dem Verdrängungselement 2 nach Fig. 1 und 2a bis 2f jeweils ein Profilrücken 114a, 114b und ein innerer Profilendbereich 118a, 118b ausgebildet. Die festen Teilelemente 102a, 102b entsprechen auch sonst in Aufbau und Wirkungsweise dem Verdrängungsele­ ment 2 nach Fig. 1 und 2a bis 2f. Somit gelten die oben gemachten Ausführungen zu Verdrängungselement 2 auch hier.

In Fig. 6 sind die Volumenverhältnisse der Kammern ent­ sprechend einer Ausführungsform nach den Fig. 5a bis 5f dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, daß eine Ausfüh­ rungsform nach den Fig. 5a bis 5f während eines voll­ ständigen Zyklus mit einer Umlaufbahnlänge von etwa 4π im Bogenmaß jeweils vier Kompressions- und Ansaugphasen aufweist. Im Gegensatz hierzu weist die Ausführungsform mit nur zwei Verdrängungselementen entsprechend der Fig. 1 über einen vollständigen Zyklus lediglich je­ weils zwei Kompressions- und Ansaugphasen auf.

Wegen dieser höheren Zahl der Kompressionsprozesse wird die Kompression bei einer Ausführungsform nach den Fig. 5a bis 5f gleichmäßiger ablaufen. Es treten geringe Pulsationen sowohl auf der Ansaug- als auch auf der Ausschubseite auf, weshalb der Verdichter insgesamt ru­ higer läuft. Auch ergibt sich bei dieser Ausführungs­ from ein verringerter orbitierender Radius der bewegli­ chen Verdrängungselementes 101, was zu insgesamt gerin­ geren Reibungsverlusten und erhöhter Stabilität der be­ weglichen Verdichterbauteile führt.

In den Fig. 7a bis 7f sind verschiedene Anordnungen der Verdrängungselemente 201, 202 eines Spiralverdichters mit drei beweglichen Teilelementen 201a, 201b, 201c und drei festen Teilelementen 202a, 202b, 202c dargestellt. Teile, die denen der Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen. Bei dieser Aus­ führungsform sind die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c des Verdrängungselements 202 in einem Winkel von jeweils 120° zueinander gedreht und ineinander verwun­ den angeordnet. Die beweglichen Teilelemente 201a, 201b, 201c des Verdrängungselements 201 sind ebenfalls im Winkel von jeweils 120° zueinander gedreht und zu einem zusammenhängenden Körper verbunden. Dabei weisen die beweglichen Teilelemente 201a, 201b, 201c an ihrem jeweils äußeren Ende 209a, 209b, 209c einen Profilrüc­ ken 213a, 213b, 213c auf. An diesem Profilrücken 213a, 213b, 213c ist die Profilstärke gegenüber dem restli­ chen Teil des jeweiligen Teilelements 201a, 201b, 201c stark aufgeweitet.

Die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c weisen ent­ sprechend dem Verdrängungselement 1, 2 nach Fig. 1 und 2a bis 2f jeweils einen Profilrücken 214a, 214b, 214c und einen inneren Profilendbereich 218a, 218b, 218c auf. Die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c entspre­ chen auch sonst in Aufbau und Wirkungsweise dem Ver­ drängungselement 2 nach Fig. 1 und 2a bis 2f. Somit gelten die oben gemachten Ausführungen zu Verdrängungs­ element 2 auch hier.

In Fig. 8 sind die Volumenverhältnisse der Kammern bei einer Ausführungsform nach den Fig. 7a bis 7f über ei­ nen Zyklus dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, daß während einem Zyklus mit einer Umlaufbahnlänge von etwa 4π im Bogenmaß jeweils sechs Ansaug- und Kompressi­ onsphasen durchlaufen werden. Auf diese Weise läßt sich durch eine Ausführungsform nach den Fig. 7a bis 7f eine weitere Vergleichmäßigung bei der Kompression eines Me­ diums und eine erhöhte Laufruhe des Verdichters erzie­ len.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verdichtung eines kompressiblen Medi­ ums, bei dem mindestens zwei Verdrängungselemente, die jeweils mindestens eine im Querschnitt spi­ ralähnlich verlaufende Begrenzungsfläche aufweisen, relativ zueinander orbitiert werden und mindestens eine Kammer ausbilden, wobei das Volumen der Kammer durch die orbitierende Bewegung verändert wird und dabei einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kom­ pressions- und einer Ausschubphase durchläuft, wo­ bei die Kammer während der Ansaugphase geöffnet wird und einen Ansaugraum bildet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ansaugraum durch ein Volumenbe­ grenzungselement über die Ansaugphase hinweg derart reduziert wird, daß die Kammer im Zeitpunkt des Ab­ schlusses der Ansaugphase ein Volumen von minde­ stens 90% eines während der Ansaugphase auftreten­ den maximalen Volumens aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Kammer über einen vorbestimmten Umlaufweg vom Beginn der Kompressionsphase ab durch das Volumenbegrenzungselement reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung des Volumens der Kammer durch das Volumenbegrenzungselement ab Beginn der Kom­ pressionsphase spätestens nach einem vorbestimmten Umlaufweg von 1π im Bogenmaß beendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugöffnung vor dem Ende einer Ausschubpahse geschlossen wird.

5. Spiralverdichter mit mindestens zwei relativ zuein­ ander mit einer orbitierenden Bewegung geführten Verdrängungselementen, die jeweils mindestens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende Begren­ zungsfläche aufweisen, wobei die Verdrängungsele­ mente mindestens eine Kammer ausbilden, die im Ver­ lauf der orbitierenden Bewegung über einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase ein veränderbares Volumen aufweist, wobei die Kammer während der Ansaugphase einen An­ saugraum mit mindestens einer Ansaugöffnung auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Verdrängungselemente (1, 2, 101, 102a, 102b, 201, 202a, 202b, 202c) einen Profilrücken (13, 14) aufweist, der in den Ansaugraum (34, 35) hinein­ ragt.

6. Spiralverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) über einen vorbestimmten Umlaufweg zu Beginn der Kompressi­ onsphase in die Kammer (33) hineinragt.

7. Spiralverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der vorbestimmte Umlaufweg ab Beginn der Kompressionsphase maximal in im Bogenmaß be­ trägt.

8. Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) an einen äußeren Profilendbereich (20, 21) an­ legbar ist, der an die Form des Profilrückens (13, 14) angepaßt ist.

9. Spiralverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Profilendbereich (20, 21) drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äuße­ ren Ende (9, 10) her kommend ein zweiter Abschnitt (24, 25) eine stärkere Krümmung aufweist als ein erster Abschnitt (22, 23) und ein dritter Abschnitt (26, 27).

10. Spiralverdichter nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Abschnitt (22, 23) und der zweite Abschnitt (24, 25) jeweils eine Länge von etwa π/3 im Bogenmaß aufweisen.

11. Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) an der äußeren Begrenzungsfläche (4, 6) eine stärkere Krümmung aufweist als an der inneren Be­ grenzungsfläche (3, 5).

12. Spiralverdichter nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) eines der Verdrängungselemente (1, 2) über einen vorbestimm­ ten Umlaufweg an der inneren Begrenzungsfläche (3, 5) einen Berührungspunkt mit einem inneren Ende (11, 12) des jeweils anderen Verdrängungselementes (2, 1) aufweist.

13. Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Verdrängungselemente (101, 102, 201, 202) im Quer­ schnitt mindestens zwei Teilelemente (101a, 101b, 102a, 102b; 201a, 201b, 201c, 202a, 202b, 202c) aufweist, die relativ zueinander unbeweglich sind.

14. Spiralverdichter nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei Teilelemente (101a, 101b, 102a, 102b; 201a, 201b, 201c, 202a, 202b, 202c) miteinander verbunden sind.