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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schneckenelement für eine Schneckenmaschine. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Schneckenelemente eines
Schneckenverdichters, die eine konisch geformte Bohrung in der Nabe aufweisen,
in die das Lager eingepresst wird. Nach dem Einsetzen des Lagers
bietet die konische Form der Bohrung in Verbindung mit der unterschiedlichen Verformung
der Nabe ein gerades Lager für
ein Schneckenelement.
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Stand der
Technik und Kurzbeschreibung der Erfindung
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Schneckenmaschinen
werden in zunehmendem Maße
als Verdichter sowohl in Kältetechnik-
als auch Klimaanlageanwendungen eingesetzt, was vor allem daran
liegt, dass sie äußerst effizient
betrieben werden können.
Im Allgemeinen beinhalten diese Maschinen ein Paar von ineinander
eingreifenden Spiralwicklungen, von denen eine die andere umkreist,
wodurch eine oder mehrere sich bewegende Kammern gebildet werden,
deren Größe fortschreitend
abnimmt, während
sie sich von einem äußeren Saugport
zu einem zentralen Verdichtungsport bewegen. Ein Elektromotor ist
vorgesehen, der dazu dient, das kreisende Schneckenelement über eine
am Motorläufer
befestigte geeignete Antriebswelle anzutreiben. Bei einem luftdichten
Verdichter ist normalerweise am Boden des luftdichten Mantels ein Ölsumpf vorgesehen,
der zu Schmier- und Kühlzwecken dient.
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Im
Allgemeinen umfasst der Motor einen Ständer, der am Mantel des Verdichters
befestigt ist. Der Motorläufer
rotiert innerhalb des Ständers,
um eine Drehung auf eine Kurbelwelle zu übertragen, die normalerweise
in den Motorläufer
eingepresst ist. Die Kurbelwelle ist drehbar in einem Paar von Lagern
abgestützt,
die von einem oberen und einem unteren Lagergehäuse gestützt werden. Die Kurbelwelle weist
einen exzentrischen Kurbelstift auf, der sich in eine Bohrung hinein
erstreckt, die durch eine Nabe der kreisenden Schnecke definiert
ist. Zwischen der Nabe des Kurbelstiftes und der Innenfläche der
Bohrung ist eine Antriebsbüchse
angeordnet, die gegen ein Lager läuft, welches in die Bohrung
der Nabe eingepresst ist.
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Die
Nabe der kreisenden Schnecke erstreckt sich senkrecht aus einer
Grundplatte der kreisenden Schnecke heraus. Die Bohrung in der Nabe
erstreckt sich vom offenen Ende der Nabe bis allgemein in eine Position
neben der Grundplatte der kreisenden Schnecke. Die Bohrung in der
Nabe ist demnach eine blinde Bohrung, deren offenes Ende am entfernten Ende
der Nabe liegt, und deren geschlossenes Ende an der Grundplatte
der kreisenden Schnecke liegt. Während
der Herstellung der kreisenden Schnecke wird die Bohrung der Nabe
bearbeitet, und das Lager wird in die bearbeitete Bohrung eingepresst.
Aufgrund der Presspassungsbeziehung zwischen Lager und Bohrung verbiegen
sich sowohl die Schneckennabe als auch das Lager während des
Einbaus des Lagers. Das Gesamtmaß der Durchbiegung wird allgemein
durch die Steife der Nabe bestimmt. Die Durchbiegung der Nabe am
offenen Ende der Bohrung ist größer als
die Durchbiegung der Nabe am geschlossenen Ende der Bohrung. Der
Hauptgrund für
diese ungleiche Durchbiegung ist, dass die Nabe am offenen Ende
der Bohrung nicht abgestützt
wird, während
sie am geschlossenen Ende der Bohrung durch die Abschlussplatte
gestützt
wird. Durch die ungleiche Durchbiegung ergibt sich ein eingebautes Lager,
dessen Durchmesser größer am offenen
als am geschlossenen Ende ist. Dieses zugespitzte Lager hat, auf
lange Sicht gesehen, einen nachteiligen Einfluss auf die Lebensdauer
des Lagers und somit auf die Schneckenmaschine.
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JP-A-07/233790
offenbart eine Schneckenmaschine mit einem Schneckenelement, welches eine
Nabe aufweist, die mit einer hinterschnittenen Nut im Boden der
lager-aufnehmenden Bohrung versehen ist, um das Antriebselement
unterzubringen, ansonsten ist die Bohrung jedoch zylinderförmig.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bietet eine Lösung auf
das Problem des zugespitzten Lagers durch Vorsehen eines Schneckenelements, wie
in Anspruch 1 definiert.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zur
Herstellung eines Schneckenelements, wie in Anspruch 5 definiert,
vor.
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Nach
dem Einbau des Lagers ergibt sich durch die ungleiche Durchbiegung
der Schneckennabe ein eingebautes Lager, welches zylinderförmiger als
die Systeme nach dem Stand der Technik ist. Die zylinderförmigere
Form verlän gert
somit die Leistung und erhöht,
auf lange Sicht gesehen, die Haltbarkeit sowohl des Lagers als auch
des Verdichters. Die zylinderförmigere
Form erhöht
die Haltbarkeit, da sie einen gleichmäßigen Abstand zwischen Lager
und Büchse
vorsieht. Der gleichmäßige Abstand
erhöht die
Belastbarkeit des Lagers aufgrund der einheitlicheren Drücke, die
auf das Lager ausgeübt
werden. Zu anderen Vorteilen gehört
die Tatsache, dass zum Einbau des Lagers eine einheitlichere Presskraft
benötigt
wird, und diese einheitliche Presskraft liefert einen besseren Anhaltspunkt
für den
Haltedruck der Baugruppe. Ferner ist das erfindungsgemäße System
weniger empfindlich gegenüber
den dimensionalen Schwankungen der einzelnen Komponenten, und dies
gestattet somit einen größeren Spielraum
für die Toleranzen
der einzelnen Dimensionen.
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Weitere
Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung wird der Fachmann
der nachfolgenden Beschreibung, sowie den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen entnehmen
können.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen, in denen die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung
z. Zt. bestmögliche
Verfahrensweise dargestellt ist, zeigen:
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1 eine senkrechte Querschnittsansicht durch
die Mitte eines schneckenartigen Kältemittelverdichters mit einem
erfindungsgemäßen Schneckenelement;
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2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der
kreisenden Schneckennabe und des Lagers des Verdichters nach 1;
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3 eine vergrößerte Querschnittsansicht der
kreisenden Schneckennabe nach 1 und 2 vor dem Einbau des Lagers,
in welcher die konische Nabenbohrung des erfindungsgemäßen Schneckenelements
dargestellt ist;
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4 eine vergrößerte Querschnittsansicht ähnlich 3, in der jedoch eine konische
Nabenbohrung gemäß einer
anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schneckenelements
dargestellt ist;
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5 eine vergrößerte Querschnittsansicht ähnlich 3, in der jedoch eine bogenförmig zugespitzte
Nabenbohrung gemäß einer
anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schneckenelements
dargestellt ist.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder
entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist
in 1 ein Schneckenverdichter
dargestellt, welcher ein erfindungsgemäßes Kompensationssystem enthält, welches
allgemein mit Bezugsnummer 10 bezeichnet ist. Verdichter 10 umfasst
einen allgemein zylinderförmigen
luftdichten Mantel 12, an den am oberen Ende eine Abdeckung 14 und am
unteren Ende eine Grundplatte 16 mit einer Mehrzahl von
daran angeformten (nicht dargestellten) Befestigungsfüßen angeschweißt ist.
An Abdeckung 14 ist ein Kältemittelablassanschluss 18 vorgesehen,
in welchen das übliche
(nicht dargestellte) Ablassventil eingebaut sein kann. Zu anderen,
am Mantel angebrachten hauptsächlichen
Elementen gehören
eine querverlaufende Trennwand 22, die an ihrem Umfang
am gleichen Punkt wie Abdeckung 14 am Mantel 12 angeschweißt ist,
ein Hauptlagergehäuse 24, welches
zweckmäßigerweise über eine
Mehrzahl von sich radial nach außen erstreckenden Armen am Mantel 12 befestigt
ist, und ein unteres Lagergehäuse 26,
ebenfalls mit einer Mehrzahl von sich radial nach außen erstreckenden
Armen, die jeweils ebenfalls zweckmäßigerweise am Mantel 12 befestigt sind.
Ein Motorständer 28,
der im Querschnitt allgemein quadratisch oder hexagonal ist, aber
abgerundete Ecken aufweist, ist in den Mantel 12 eingepresst.
Die Flachstellen zwischen den abgerundeten Ecken am Ständer 28 stellen
Durchgangskanäle
zwischen Ständer 28 und
Mantel 12 bereit, die den Rückfluss des Schmiermittels
vom oberen zum unteren Ende des Mantels ermöglichen.
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Eine
Antriebswelle oder Kurbelwelle 30 mit einem exzentrischen
Kurbelstift 32 am oberen Ende ist drehbar in einem Lager 34 im
Hauptlagergehäuse 24 und
in einem zweiten Lager 36 im unteren Lagergehäuse 26 gelagert.
Kurbelwelle 30 weist an ihrem unteren Ende eine konzentrische
Bohrung 38 mit relativ großem Durchmesser auf, die mit
einer radial nach außen
geneigten Bohrung 40 kleineren Durchmessers, die sich von
ersterer ausgehend nach oben bis zum oberen Ende der Kurbelwelle 30 erstreckt, kommuniziert.
In Bohrung 38 ist ein Rührwerk 42 angeordnet.
Der untere Teil des Innenmantels 12 definiert einen Ölsumpf 44,
der bis auf eine etwas über dem
unteren Ende eines Läufers 46 liegende
Höhe mit
Schmieröl
gefüllt
ist, und eine Bohrung 38, die als Pumpe fungiert, um Schmierflüssigkeit
an Kurbelwelle 30 entlang in die Bohrung 40 und
letztlich in alle Teile des Verdichters, die eine Schmierung erfordern, zu
pumpen.
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Kurbelwelle 30 wird
drehbar von einem Elektromotor angetrieben, der einen Ständer 28,
durch diesen verlaufende Wicklungen 48 und einen Läufer 46 aufweist,
der in Kurbelwelle 30 eingepresst und mit oberen und unteren
Gegengewichten 50 bzw. 52 versehen ist.
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Die
Oberseite des Hauptlagergehäuses 24 ist
mit einer flachen Drucklagerfläche 54 versehen, auf
der ein kreisendes Schneckenelement 56 angeordnet ist,
welches die übliche
spiralförmige
Fahne oder Wicklung 58 aufweist, die sich von einer Abschlussplatte 60 ausgehend
nach oben erstreckt. Von der Unterseite der Abschlussplatte 60 des
kreisenden Schneckenelements 56 ausgehend erstreckt sich
eine zylinderförmige
Nabe nach unten, in der sich ein Zapfenlager 62 befindet,
und in der eine Antriebsbüchse 64 mit
einer Innenbohrung 66, in der Kurbelstift 32 treibend
läuft,
drehbar angeordnet ist. Kurbelstift 32 hat an einer Fläche eine
Flachstelle, die an einer (nicht dargestellten), in einem Teil der
Bohrung 66 ausgebildeten flachen Fläche treibend angreift, um eine
radial federnde Antriebsanordnung zu bilden, wie sie in der U.S.
Patenturkunde 4 877 382 des Rechtsnachfolgers dargestellt ist.
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Außerdem ist
eine Oldham-Kupplung 68 vorgesehen, die zwischen dem kreisenden
Schneckenelement 56 und dem Lagergehäuse 24 angeordnet und
an dem kreisenden Schneckenelement 56 und einem nicht-kreisenden
Schneckenelement 70 festgekeilt ist, um eine Drehbewegung
des kreisenden Schneckenelements 56 zu verhindern. Vorzugsweise ist
die Oldham-Kupplung 68 vom gleichen Typ, wie sie in der
U.S. Patenturkunde 5 320 506 des Rechtsnachfolgers offenbart ist.
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Das
nicht-kreisende Schneckenelement 70 ist ebenfalls mit einer
Wicklung 72 versehen, die sich nach unten aus einer Abschlussplatte 74 heraus
erstreckt, die im Eingriff mit der Wicklung 58 des kreisenden
Schneckenelements 56 steht. Das nicht-kreisende Schneckenelement 70 weist
einen zentral angeordneten Abflusskanal 76 auf, der mit
einer nach oben offenen Ausnehmung 78 kommuniziert, die
wiederum über
einem Flüssigkeitskanal
mit einer geräuschdämpfenden
Ablasskammer 80 verbunden ist, die durch Abdeckung 14 und
Trennwand 22 definiert wird. Im nicht-kreisenden Schneckenelement 70 ist außerdem eine
ringförmige
Ausnehmung 82 ausgebildet, innerhalb welcher eine Dichtungseinheit 84 angeordnet
ist. Die Ausnehmungen 78 und 82 und die Dichtungseinheit 84 definieren
zusammen Axialdruck-Vorspannungskammern, die von den Wicklungen 58 und 72 verdichtete
Druckflüssigkeit
empfangen, um eine axiale Vorspannungskraft auf das nicht-kreisende
Schneckenelement 70 auszuüben, wodurch die Spitzen der
jeweiligen Wicklungen 58, 72 gedrängt werden,
mit den gegenüberliegenden Abschlussplattenflächen der
Abschlussplatten 74 bzw. 60 in dichtenden Eingriff
zu treten. Vorzugsweise ist die Dichtungseinheit 84 vom
gleichen Typ, wie er ausführlich
in U.S. Patent Nr. 5 156 539 beschrieben ist. Das nicht-kreisende
Schneckenelement 70 ist so ausgebildet, dass es sich in
geeigneter Weise am Lagergehäuse 24 befestigen
lässt,
wie im vorerwähnten
Patent Nr. 4 877 382 oder U.S. Patent Nr. 5 102 316 beschrieben.
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Bezugnehmend
auf 2 und 3 umfasst die Nabe des kreisenden
Schneckenelements 56 eine ringförmige Wand 90, die
sich allgemein senkrecht von der Abschlussplatte 60 aus
erstreckt. Die ringförmige
Wand 90 definiert eine interne Bohrung 92, innerhalb
welcher Lager 62 angeordnet ist. Der Herstellprozess für das kreisende
Schneckenelement 56 beinhaltet das Bearbeiten von Bohrung 92 und
den Einbau von Lager 62 in Bohrung 92. Die Dimensionen
für Bohrung 92 und
die Dimensionen für
Lager 62 sind derart gewählt, dass sich eine Übermaßpassung
zwischen dem Außendurchmesser
von Lager 62 und dem Innendurchmesser von Bohrung 92 ergibt.
Typisch beträgt
die Größe des eingebauten Übermaßes 76 μm (0,003
Zoll), wenn Schneckenelement 56 und Lager 62 aus
Stahl hergestellt werden. Die Größe des Übermaßes ändert sich
selbstverständlich,
wenn Schneckenelement 56 aus einem anderen Material hergestellt
wird. Diese Dimensionen sind typisch für einen Bohrungsdurchmesser
von ca. 30 mm für
Bohrung 92.
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Während des
Einbaus von Lager 62 in Bohrung 92 verbiegen sich
aufgrund der Übermaßpassung
sowohl die ringförmige
Wand 90 als auch das Lager 62. Typisch biegt sich
bei einem Schneckenelement 56 aus Stahl oder Gußeisen die
ringförmige Wand 90 um
ca. 40% des Übermaßes nach
außen, und
das Lager 62 biegt sich um ca. 60% des Übermaßes nach innen. Das Verhältnis zwischen
der Größe der Durchbiegung ändert sich,
wenn Schneckenelement 56 aus einem anderen Material hergestellt
wird.
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In 3 ist die Bohrung 92 dargestellt.
Bohrung 92 beinhaltet einen ersten Durchmesser 96 an ihrem
offenen Ende und einen zweiten Durchmesser 98 an ihrem
geschlossenen Ende. Die Form der Bohrung 92 zwischen den
Durchmessern 96 und 98 stellt eine geradlinige
Beziehung dar, wobei Durchmesser 96 kleiner als Durchmesser 98 ist.
Vorzugsweise liegt die Differenz zwischen Durchmesser 96 und
Durchmesser 98 zwischen 25,4 μm und 30,5 μm (0,0010 Zoll und 0,0012 Zoll).
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In 4 ist eine Bohrung 92' dargestellt. Bohrung 92' weist einen
ersten Durchmesser 96' an ihrem
offenen Ende und einen zweiten Durchmesser 98' an ihrem geschlossenen
Ende auf. Die Form der Bohrung 92' zwischen den Durchmessern 96' und 98' wird dadurch
definiert, dass Durchmesser 96' sich um einen vorgegebenen Abstand
in Richtung Durchmesser 98' erstreckt,
gefolgt von einer geradlinigen Beziehung, wie einer durchgehenden
Linie, oder einer gebogenen Beziehung, wie zwischen Durchmesser 96' und 98' durch eine
gestrichelte Linie dargestellt. Vorzugsweise beträgt die Differenz
zwischen Durchmesser 96' und
Durchmesser 98' zwischen 15,2 μm und 30,5 μm (0,0006
Zoll und 0,0012 Zoll), wobei Durchmesser 96' sich über ca. 60% der Länge zwischen
dem freien Ende und dem geschlossenen Ende von Bohrung 92' erstreckt.
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In 5 ist Bohrung 92'' dargestellt. Bohrung 92'' weist einen ersten Durchmesser 96'' an ihrem offenen Ende und einen
zweiten Durchmesser 98'' an ihrem geschlossenen
Ende auf. Zwischen den Durchmessern 96'' und 98'' weist die Bohrung 92'' eine gebogene Linie oder eine
bogenförmige
Oberfläche
auf, und Durchmesser 98'' ist kleiner
als Durchmesser 98''. Vorzugsweise
beträgt
die Differenz zwischen Durchmesser 96'' und 98'' zwischen 15,2 μm und 25,4 μm (0,0006 Zoll und 0,0010 Zoll).
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Obwohl
sich die obige Beschreibung auf die bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform
bezieht, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung modifiziert,
variiert und geändert
werden kann, ohne vom Geltungsbereich und der korrekten Bedeutung der
beigefügten
Ansprüche
abzuweichen.