DE3319776C2 - Spiralkompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spiralkompressor zum Fördern und Komprimieren eines Fluids mit einem feststehenden und einem umlaufenden Spiralelement, die parallel angeordnete Stirnplatten, und auf einander zugewandten Flächen der Stirnplatten ineinandergreifende Spiralwände aufweisen, und mit einem die Spiralwände einschließenden, zwischen den Stirnplatten angeordneten Ring, der um 90° zueinander versetzte, radial verlaufende Schlitze aufweist, in die zwei einander gegenüberliegende, mit dem umlaufenden Spiralelement fest verbundene und zwei mit dem feststehenden Spiralelement fest verbundene Führungszungen gleitbar greifen, wobei die Führungszungen zum Teil von den Spiralwänden ausgehen und das umlaufende Spiralelement über eine Welle durch einen Elektromotor angetrieben wird und eine Umlaufbewegung ohne Eigenrotation ausführt und wobei zwischen den Spiralwänden Arbeitskammern gebildet werden, die radial außen mit mindestens einer Einlaßöffnung und im Zentrum der Spiralwände mit einer Auslaßöffnung für das Fluid in Verbindung stehen.

Bei einem bekannten Spiralkompressor dieser Art (DE-OS 24 28 228) liegt der Ring nicht dichtend den Stirnplatten an. Auch die von den Spiralwänden ausgehenden Führungszungen liegen weder der Stirnplatte an, mit der sie nicht verbunden sind, noch liegen sie den Schlitzen dichtend an. Es werden somit nicht voneinander getrennte Volumina zwischen den Spiralwänden und den Führungszungen gebildet. Dieser Spiralkompressor ist nicht zu einer Änderung der Förderkapazität geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Spiralkompressor derart auszubilden, daß die Förderkapazität geändert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst , daß der Ring an den Stirnplatten dichtend anliegt und daß die von den Spiralwänden ausgehenden Führungszungen dichtend an der Stirnplatte, mit der sie nicht fest verbunden sind, und allseitig an den Schlitzen anliegen derart, daß voneinander getrennte Volumina zwischen dem Ring, den Spiralwänden und den Führungszungen gebildet werden, die alle oder nur zum Teil zur Fluidförderung verwendet werden können.

Auf diese Weise kann die Förderkapazität geändert werden: Man hat nämlich voneinander getrennte Fördervolumina zur Verfügung, die man zusammen oder einzeln verwenden kann. So könnte man über die Einlaßöffnung z. B. alle Arbeitskammern oder nur jede zweite füllen.

Ferner existiert eine nicht vorveröffentlichte ältere Anmeldung (DE-OS 33 08 227), die sich auf einen Gegenstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bezieht, bei dem jedoch nicht der Ring mit den Schlitzen und demgemäß auch nicht die Führungszungen vorhanden sind. Jedoch ist bei diesem Gegenstand auch die Kapazität des Kompressors veränderbar. Es werden die beiden Arbeitskammern zwischen den Spiralwänden durch ein elastisches Element, z. B. eine Blattfeder oder eine Wand, die durch eine Feder beaufschlagt wird, voneinander getrennt, wobei dieses elastische Element an einem Teil befestigt bzw. gelagert ist und gegen eine Spiralwand gedrückt wird. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Feder mit der Zeit Ermüdungserscheinungen zeigen kann, die dann zu einer Verschlechterung der Dichtwirkung führen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Stirnplatte des stationären Spiralelements und

Fig. 5 den oberen Teil des Kompressors teilweise im Schnitt, und zwar in bezug auf Fig. 1 um 90° im Uhrzeigersinn von oben her gesehen gedreht.

Der Spiralkompressor ist mit 10 bezeichnet. Er besitzt ein Gehäuse 11, das in seinem unteren Teil eine Ansaugleitung 12 und in seinem oberen Teil eine Ausströmleitung 13 aufweist. Die Gehäusehälften sind miteinander verschweißt, und im Verbindungsbereich sitzt ein Rahmen 14 als Aufnahme für verschiedene Teile. Außerdem teilt er das Innere des Gehäuses 11 in zwei Teile.

Auf der Unterseite des Rahmens 14 befindet sich ein Elektromotor 15 mit Windungen 15a und einem Rotor 16. Eine Antriebswelle 17 erstreckt sich in axialer Richtung durch das Zentrum des Rotors 16. Diese Welle weist an ihrem unteren Ende eine Zentrifugalölpumpe 18 konischer Ausbildung auf, die teilweise in ein Ölreservoir 19 ragt. Bei der Drehung der Ölpumpe 18 wird Öl durch Bohrungen im Inneren der Welle nach oben gepumpt derart, daß sich oben anschließende Lager, z. B. das Lager 20, geschmiert werden. Dieses Lager 20 sitzt am oberen Ende der Welle 17. Es hat einerseits die Aufgabe, die Welle in radialer Richtung zu zentrieren und andererseits die Welle 17 und den Rotor 16 zu tragen. Ferner sitzt am oberen Ende der Welle 17 ein Kurbelzapfen 21, dessen Achse parallel zu der Achse der Welle 17 versetzt ist. Wenn sich die Welle 17 dreht, dreht sich der Kurbelzapfen 21 in einem Lager 22, was dazu führt, daß ein Schwingglied 23, in dem sich das Lager 22 befindet, um seine Achse rotiert. Das Schwingglied 23 dient als Antriebselement für einen Antriebszapfen 24, der in einem Lager 25 sitzt. Der Antriebszapfen 24 ragt von der Unterseite einer Stirnplatte 26 ab. Wenn sich das Schwingglied 23 dreht, beschreibt der Antriebszapfen 24 eine Orbitalbewegung um die Achse des Schwinggliedes 23 und bewegt sie zugleich innerhalb des Lagers 25. Das Schwingglied 23 überträgt auf diese Weise die Drehbewegung der Antriebswelle 17 in eine Orbitalbewegung der Stirnplatte 26.

Unmittelbar unterhalb der Stirnplatte 26 sitzt verbunden mit dem Rahmen 14 ein Axialdrucklager 27, das in Gleitkontakt mit der Platte 26 steht.

Eine feste Stirnplatte 28 befindet sich unmittelbar oberhalb der Stirnplatte 26. Sie ist parallel zu dieser orientiert, und die Spiralwände sind gegeneinander gerichtet. Von dem Rahmen 14 gehen Stützen 28a aus, die mit der Peripherie der stationären Platte 28 verbunden sind. Diese halten in Kombination mit geeigneten Verbindungselementen, z. B. nicht dargestellten Bolzen, die stationäre Platte 28 unbeweglich gegenüber dem Rahmen 14.

Wie den Fig. 1-3 zu entnehmen ist, sitzen spiralförmige Wände 29a und 29b an den Platten 28 und 26 und greifen ineinander. Die stationäre Spiralwand 29a berührt die sich bewegende Spiralwand 29b in verschiedenen Punkten längs ihrer Flankenflächen derart, daß Taschen gebildet werden, in denen sich das Fluid sammelt. Im mittleren Bereich der stationären Platte 28 befindet sich eine Ausströmöffnung 30, oberhalb derer ein Rückschlagventil 31 sitzt. Dieses weist eine flache Platte 32 auf, die etwas größer ist als die Öffnung 30. Ferner ist eine Schraubenfeder 33 vorgesehen, die die Platte 32 in ihre Schließposition drückt. Auf der Abströmseite des Ventils 31 befindet sich eine Leitung 34, die ihrerseits mit der Ausströmleitung 13 verbunden ist.

Anstelle einer Oldham-Kupplung, die üblicherweise in Spiralkompressoren der hier zur Debatte stehenden Art verwendet werden, weist der erfindungsgemäße Kompressor einen Kupplungsring 35 auf, der zwischen der stationären Platte 28 und der beweglichen Platte 26 angeordnet ist und die Spiralwände 29a, 29b einschließt. Der Ring 35 hat eine Höhe, die dem Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen der Platten 28 und 26 entspricht. Er gleitet zwischen diesen Flächen und stellt eine Dichtung dar. Aus den Fig. 2 und 3 ergibt sich, daß der Rinig 35 auf der Innenseite vier Schlitze 36a bis d aufweist, die im Abstand von 90° zueinander angeordnet sind und sich nach innen öffnen. Die Schlitze 36a und 36c einerseits und die Schlitze 36b und 36d andererseits liegen sich also diametral einander gegenüber.

An den Spiralwänden 29a, 29b sind Zungen 37a bis c angeordnet, die in die Schlitze 36a bis c ragen. Die Zunge 37a sitzt an der beweglichen Spiralwand 29b und ragt in den Schlitz 36a. Sie kann in ihm hin- und hergleiten und bildet ebenfalls mit diesem eine Dichtung. Entsprechendes gilt für die Zunge 37b, die sich von der stationären Spiralwand 29a nach außen erstreckt und in den Schlitz 36b ragt. Das äußerste Ende der beweglichen Spiralwand 29b bildet die Zunge 37c, die ebenfalls in den Schlitz 36c ragt und in dichtender Art und Weise in diesem hin- und herbeweglich ist. Da die Zungen 37a bis c zwischen den einander gegenüberstehenden Flächen der beiden Platten 26 und 28 angeordnet sind und in dichtendem Kontakt mit derjenigen Platte stehen, mit der sie nicht verbunden sind, trennen sie das Volumen, das durch die Platten, die äußeren Flächen der Spiralwände 29a, 29b und der inneren Wand des Ringes 35 gebildet wird, in drei Abschnitte. An der stationären Platte sitzt eine Zunge 38, die in den Schlitz 36d greift und in dieser gleitbar gelagert ist. Die bewegliche Platte 26 wird also gezwungen, sich in ganz bestimmter Weise relativ zu der stationären Platte 28 zu bewegen, wenn sie von dem Motor 15 angetrieben wird. Diese Bewegung wird verursacht durch das Zusammenspiel des Kupplungsringes 35, der Schlitze 36a bis d und der Zungen 37a, b, c und 38. Die Zungen 37a, b, c und 38 verhindern, daß die bewegliche Platte 26 eine winkelmäßige Verrückung erfährt, ermöglichen es ihr aber, eine kreisförmige Bewegung durchzuführen mit einem variablen Orbitalradius.

Das Fluid innerhalb des Gehäuses 11 tritt in die Taschen zwischen den Spiralwänden 29a und 29b durch eine erste Öffnung 39a oder eine zweite Öffnung 39b in der Platte 28 ein. Die Öffnung 39a befindet sich zwischen der Zunge 37a und der Zunge 37b. Die Öffnung 39b befindet sich zwischen der Zunge 37b und der Zunge 37c. Jede Öffnung 39 steht also in Kontakt mit einem Volumen, das von dem Ring 35 eingeschlossen wird und jeweils von dem anderen Volumen getrennt ist.

Mit den Öffnungen 39a und b sind Ventile 40a und 40b verbunden (s. die Fig. 4 und 5). Diese Ventile 40 steuern den Fluidfluß und sind beispielsweise elektrische Solenoidventile derart, daß die Öffnungen 39 in ganz bestimmter Weise geöffnet oder geschlossen werden können. Auch können es Proportionalitätsventile sein, wenn der Fluidfluß in seiner Stärke gesteuert werden soll. Die Ventile 40 werden über Leitungen 41a und 41b gesteuert, die mit Enden 42 abgedichtet durch das Gehäuse 11 ragen. Die Enden 42 ragen außerdem in einen Block 43, der sich auf der Außenseite des Gehäuses 11 befindet.

Während des Betriebes des Kompressors 10 fließt Fluid in das Gehäuse 11 durch die Ansaugleitung 12, um dann in den Raum zwischen dem Rotor 16 und den Windungen 15a nach oben zu steigen. Dadurch wird der Motor 15 gekühlt. Dann strömt das Fluid in den oberen Teil des Kompressors mit relativ geringem Saugdruck. Wenn der Kompressor 10 mit voller Kapazität arbeitet, sind beide Ventile 40a und 40b vollständig offen derart, daß das Fluid durch die Öffnungen 39a und 39b in die Arbeitskammer zwischen den Spiralwänden 29a und 29b fließen kann. Die Kontaktlinien zwischen den Spiralwänden 29a, 29b definieren Arbeitskammern 44a und 44b und weitere Arbeitskammern 45a und 45b. In dem Maße wie sich die Arbeitskammern 45a und 45b zum Zentrum der Spiralwände hinbewegen, wird das Volumen des Fluids, das sich in diesen Arbeitskammern befindet, verkleinert und der Druck des Fluids entsprechend vergrößert. Die Arbeitskammern fließen im Zentrum der Spiralwände zusammen und bilden dort eine gemeinsame Arbeitskammer 46, in der sich das komprimierte Fluid sammelt und aus der es über die Öffnung 30 ausströmt, wenn der Druck groß genug ist, um den Druck des Ventils 31 zu überwinden.

Wenn der Druck des Fluids in der Arbeitskammer 46 im Ausgang 30 größer ist als die Kraft der Schraubenfeder 33 in Kombination mit dem Fluiddruck in der Leitung 34, hebt das Fluid die Platte 32 an, so daß Fluid durch die Leitung 34 nach außen strömen kann. Im anderen Falle bleibt das Ventil 31 geschlossen.

Um die Kapazität des Kompressors 10 auf 50% zu reduzieren, wird entweder das Ventil 40a oder das Ventil 40b geschlossen. Das hat zur Folge, daß Fluid nicht durch die Öffnung 39a bzw. 39b treten kann. Das Fluid fließt jedoch durch die andere Öffnung mit minimaler Einschränkung. Es wird jedoch durch die Segmente 37 daran gehindert, um die Spiralwände 29a, 29b außen herum zu der geschlossenen Öffnung zu fließen. Das Fluid, welches durch die offene Öffnung strömt, wird durch die Bewegung der beweglichen Wand 29b relativ zu der stationären Wand 29a komprimiert.

Wenn das Ventil 40a geschlossen ist, fällt der Druck in der Öffnung 39a auf einen Vakuumdruck, wenn der Kompressor 10 weiterarbeitet. Die Tasche 45b enthält komprimiertes Fluid, während die Tasche 45a auf Vakuumdruck liegt. Die beiden Taschen, nämlich diejenige mit hohem Druck und diejenige mit niedrigem Druck, bewegen sich durch den Kompressor und kombinieren sich im Ausgang 30 bzw. in der gemeinsamen Tasche 46. Dort fällt der Druck demgemäß ab. Er steigt jedoch dann wieder an bei Fortsetzung der Bewegung der beweglichen Spiralwand 29b, bis er den Druck in der Leitung 34 leicht übersteigt. Das Ventil 31 verhindert einen Rückfluß des Fluids in die Öffnung 30 aus dem System, welches an die Ausströmleitung 13 angeschlossen ist. Das Fluid fließt also lediglich aus der Leitung 34 heraus, wenn der Druck in der Leitung 34 geringer ist als in der Öffnung 30. Da die Öffnung 30 nur 50% des insgesamt verfügbaren Fluids erhält, ist die Menge an Fluid, die den Kompressor 10 verläßt, um 50% reduziert.

Der Kompressor 10 kann bezüglich seiner Kapazität auf 0 reduziert werden, indem man beide Ventile 40a und 40b schließt. Der Druck im Ausgang 30 nimmt dann einen Gleichgewichtsdruck an derart, daß kein Fluid an der Platte 32 vorbeiströmt. Wenn Proportionalventile 40 verwendet werden, kann die Kapazität des Kompressors 10 zwischen 0 und 100% stetig verändert werden. Wenn beide Ventile 40a und 40b teilweise geschlossen sind, wird der Strom durch die beiden Öffnungen 39a und 39b entsprechend reduziert, und damit wird der Strom durch den Kompressor 10 insgesamt entsprechend reduziert. Ist eins der Ventile 40 teilweise geschlossen und das andere offen, dann liegt die Kapazität zwischen 50 und 100%.

Wenn bei einer speziellen Ausführungsform eine Steuerung nur eines Eingangs 39 ausreicht, dann wird nur ein Ventil 39 vorgesehen. Ein Ventil kann jedoch die Kapazität des Kompressors 10 nur in dem Bereich zwischen 50 und 100% steuern. Eine andere Ausführungsform besteht darin, daß nur die Zungen 37b und c vorgesehen sind, die Zunge 37a aber fehlt. Anstelle der Zunge 37a ist eine Zunge ähnlich der Zunge 38 vorgesehen, die an der beweglichen Platte 26 sitzt und in den Schlitz 36 ragt. Entsprechend sind andere Modifikationen denkbar derart, daß die Zungen 37 bezüglich des Punktes, von wo sie von der Spiralwand 29 ausgehen, geändert werden. Es ist lediglich Bedingung, daß die Schlitze 36 und die Zungen 37 bzw. 38 zueinander ausgerichtet sind derart, daß benachbarte Schlitze im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und einander gegenüberliegende Schlitze parallel zueinander sind.

Claims (6)

1. Spiralkompressor zum Fördern und Komprimieren eines Fluids mit einem feststehenden und einem umlaufenden Spiralelement, die parallel angeordnete Stirnplatten und auf einander zugewandten Flächen der Stirnplatten ineinandergreifende Spiralwände aufweisen, und mit einem die Spiralwände einschließenden, zwischen den Stirnplatten angeordneten Ring, der um 90° zueinander versetzte, radial verlaufende Schlitze aufweist, in die zwei einander gegenüberliegende, mit dem umlaufenden Spiralelement fest verbundene und zwei mit dem feststehenden Spiralelement fest verbundene Führungszungen gleitbar greifen, wobei die Führungszungen zum Teil von den Spiralwänden ausgehen und das umlaufende Spiralelement über eine Welle durch einen Elektromotor angetrieben wird und eine Umlaufbewegung ohne Eigenrotation ausführt und wobei zwischen den Spiralwänden Arbeitskammern gebildet werden, die radial außen mit mindestens einer Einlaßöffnung und im Zentrum der Spiralwände mit einer Auslaßöffnung für das Fluid in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (35) an den Stirnplatten (26, 28) dichtend anliegt und daß die von den Spiralwänden (29a, 29b) ausgehenden Führungszungen (37a, 37b, 37c) dichtend an der Stirnplatte (26, 28), mit der sie nicht fest verbunden sind, und allseitig an den Schlitzen (36a, 36b, 36c) anliegen derart, daß voneinander getrennte Volumina (44a, 44b) zwischen dem Ring (35), den Spiralwänden (29a, 29b) und den Führungszungen (37a, 37b, 37c) gebildet werden, die alle oder nur zum Teil zur Fluidförderung verwendet werden können.

2. Spiralkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zunge (37c) durch das Ende einer Spiralwand, insbesondere der beweglichen Wand (29b), gebildet wird.

3. Spiralkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zunge (38) in Form eines rechteckigen Blockes von einer der Platten (26, 28) in einen Schlitz (36d) des Ringes (35) ragt und in diesem gleitbar ist.

4. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einlaßöffnungen (39a, 39b) mit einem Ventil (40a, 40b) ausgerüstet ist derart, daß die Kapazität des Kompressors zwischen 50 und 100% variiert werden kann.

5. Spiralkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Einlaßöffnungen (39a, 39b) mit einem Ventil (40a, 40b) ausgerüstet sind derart, daß die Kapazität des Kompressors zwischen 0 und 100% variiert werden kann.

6. Spiralkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der im Zentrum der stationären Platte (28) vorgesehenen Auslaßöffnung (30) ein Rückschlagventil (31-33) befindet.