DE69209955T2

DE69209955T2 - Spiralverdichter mit Doppelkammer zum axialen Ausgleich

Info

Publication number: DE69209955T2
Application number: DE69209955T
Authority: DE
Inventors: Thomas R Barito; Raymond L Beblois; Anthony J Marchese; Jeffrey J Nieter
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1991-09-23
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2012-09-18
Also published as: DE69209955D1; JP3004483B2; MX9205379A; EP0534891B1; JPH05202865A; BR9203702A; KR960004246B1; KR930006329A; AU2529592A; TW223674B; AU650570B2; EP0534891A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich auf Spiralkompressoren, und insbesondere auf eine Verbesserung der axialen Nachgiebigkeit zwischen Spiralelementen, wodurch ein größerer Wirkungsgrad bei Spiralkompressoren erreicht wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Spiralkompressoren haben einen weiten Bereich von Anwendungen, wo tiefe bis mittlere Kompressionsverhältnisse gewünscht werden, besonders in der Klimaanlagen- und Wärmepumpen-Industrie. Diese Akzeptanz wird dem hohen Wirkungsgrad, den weniger zahlreichen Bestandteilen und dem geringeren Lärm sowie den geringeren Vibrationen im Vergleich mit konkurrierenden Kompressoren zugeschrieben. Ein konventioneller Spiralkompressor umfaßt einen Motor, der eine Welle mit einer exzentrischen Kurbel antreibt, was eine umlaufende Bewegung eines umlaufenden Spiralelementes verursacht. Das umlaufende Spiralelement hat eine Spirale oder eine spiralförmige, vorstehende Hülle, welche mit einer ähnlich geformten vorstehenden Hülle auf einem zusammenpassenden fixierten Element zusammen wirkt. Die Kompression wird erreicht, wenn durch das ineinandergreifende Zusammenwirken zwischen den zwei vorstehenden Hüllen das gasförmige Fluid radial nach innen verschoben und gleichzeitig das Volumen des Fluids verkleinert wird.
Die innere Undichtigkeit für unter Druck stehendes Fluid reduziert jedoch den Wirkungsgrad von Schraubenkompressoren. Es gibt zwei Arten von Undichtigkeit im Zusammenhang mit Schraubenkompressoren, die eine ist Undichtigkeit an den Flanken, und die andere ist Undichtigkeit an den Spitzen. In beiden Fällen entweicht das Fluid in Taschen mit höherem Druck durch die Lücken hindurch zu Taschen mit tieferem Druck. Die Undichtigkeit an den Flanken findet statt, wenn Fluid aus einer Tasche, die zwischen den zwei vorstehenden, ineinandergreifenden Hüllen gebildet wird, an den Oberflächen der Flanken entweicht, wo sie einander berühren. Die Undichtigkeit an den Spitzen findet statt, wenn Fluid zwischen den Endoberflächen der vorstehenden Hülle von jedem Element und der Basis des anderen Elementes entweicht, wenn sie sich berühren. Die Undichtigkeit an den Spitzen ist die schlimmere der beiden, weil die effektive totale Breite des Entweichungsweges für die Undichtigkeit an den Spitzen typischerweise mehrere Male größer ist als diejenige für die Undichtigkeit an den Flanken. Weiter erzeugt der Kompressionsvorgang große axiale Belastungen, welche das umlaufende Spiralelement axial vom fixierten Spiralelement weg stoßen, wodurch die Undichtigkeit an den Spitzen vergrößert wird. Zusätzlich zu den axialen Kräften, welche das umlaufende Spiralelement von der fixierten Spirale weg lenken, gibt es auch ein umkippendes Moment, das versucht, das umlaufende Spiralelement aus der Ebene mit dem fixierten Spiralelement zu kippen.
Weil Herstellungstechniken mit engen Toleranzen nicht ausreichend sind um den Druckverlust aufgrund der Undichtigkeit an den Spitzen zu verhindern, wurden andere Verfahren entwickelt. Ein Lösungsweg besteht darin, verschiedene Typen von Abdichtungen der Spitzen zu verwenden, wie sie in den U.S. Patenten Nr. 4 395 205; 4 411 605; 4 415 317; 4 416 597 beschrieben werden. Die Endoberfläche der vorstehenden Hülle von jedem Spiralelement wird mit Einrichtungen zum Abdichten der Spitzen ausgerüstet, welche die Undichtigkeit an den Spitzen verkleinert. Obwohl dieses Verfahren wirkungsvoll zum Abdichten ist, erfordert es eine komplizierte Herstellung, vergrößert es die Reibung und erhöht die Kosten.
Ein anderer Lösungsweg, um die Undichtigkeit an den Spitzen zu verkleinern, besteht darin, einen kompensierenden Gegendruck anzuwenden, um die zusammenpassenden Elemente zusammen zu drängen. Fluid mit höherem Druck wird zweckmäßigerweise aus der Kompressionskammer durch eine Entlüftungsöffnung hindurch in eine Gegenkammer hinein ausströmen gelassen, welche typischerweise aus einer einzigen, relativ großen Kammer besteht, die hinter der umlaufenden Spirale angeordnet ist. Dies liefert einen Körper von unter Druck stehenden Fluid, welcher das umlaufende Element gegen das fixierte Element stößt und somit die Lücke zwischen den Spitzen der vorstehenden Spiralen und den Basen der Elemente verkleinert. Das Verkleinern der Lücke minimiert das Entweichen von Fluid, was ein Anwachsen des Druckes in der Kompressionskammer zur Folge hat.
Zum Beispiel offenbaren die U.S. Patente Nr. 4 384 831; 4 600 369; 4 645 437; 4 696 630; und 4 861 245 alle einen Spiralkompressor, der eine Gegenkammer hat. Die gewöhnlich übertragenen U.S. Patente Nr. 4 992 032 und 4 993 928 offenbaren ebenfalls Spiralkompressoren, welche die Gegendrucktechnik verwenden. Wie darin offenbart wird, sind, eher als eine einzige Gegenkammer, zwei abgeschlossene Druckkammern, eine bei einem Zwischendruck und eine andere beim Austrittsdruck, hinter dem umlaufenden Spiralelement angeordnet, und sie sind so konstruiert, daß sie den Kompressionskräften des Gases innerhalb der Kompressionskammer entgegen wirken und das umlaufende Spiralelement gegen das fixierte Spiralelement hin lenken. Die Gegendrucktechnik nach dem bekannten Stand der Technik ist jedoch so geplant, daß das größte während dem umlaufenden Zyklus erfahrene umkippende Moment überwunden wird, was zu einer übermäßigen Schiebekraft über den Rest des Zyklus führt. Die große Schiebekraft verursacht eine übermäßige Reibung zwischen den zwei zusammenpassenden Teilen und hat einen reduzierten Wirkungsgrad des Spiralkompressors zur Folge.
Zusätzlich offenbart das U.S. Patent Nr. 4 557 675 ein Verfahren, um den Druck in der Gegenkammer einzustellen, indem druckausgleichende Öffnungen derart positioniert werden, daß der in die Gegenkammer hinein ausgelassene Druck mit Änderungen in den Betriebsbedingungen variiert. Der Gegendruck bleibt jedoch während jeglicher gegebenen beständigen Bedingung relativ konstant, somit ist beabsichtigt, daß, während sich die Betriebsbedingungen ändern, die Änderung im Druck das größte umkippende Moment und die axiale Kraft überwindet, was eine übermäßige Schiebekraft für den Rest des Zyklus zur Folge hat und eine übermäßige Reibung verursacht, wodurch der Wirkungsgrad des Spiralkompressors reduziert wird.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung den Wirkungsgrad von Spiralkompressoren zu erhöhen, indem die Reibungskräfte zwischen den Spiralen reduziert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Druck stehendes Fluid aus der Kompressionskammer durch eine Öffnung im Spiralelement hindurch in mindestens eine dynamische Gegenkammer hinein ausgelassen, so daß der Gegendruck auf der Basis eines Subzyklus variieren wird. Eine dynamische Gegenkammer, die durch ein relativ kleines Volumen der Kammer und eine große Öffnungsfläche für die Strömung, für die Zufuhr von unter Druck stehendem Fluid zu ihr, gekennzeichnet ist, ist hinter dem umlaufenden Element angeordnet. Gemäß dieser Erfindung kann ein wirkungsvolles Mittel, um dem umkippenden Moment entgegen zu wirken ohne übermäßige Reibungskräfte zu erzeugen, erreicht werden, indem der Gegendruck auf der Basis eines Subzyklus variiert wird.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform des besten Modus davon, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt wird, besser ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine diagrammartige Seitenansicht eines Spiralkompressors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine geschnittene Draufsicht, welche das Ineinandergreifen der vorstehenden Spiralhüllen des in der Fig. 1 gezeigten Spiralkompressors, damit dazwischen Kompressionstaschen gebildet werden, darstellt; und
Fig. 3 ist eine vergrößerte, teilweise geschnittene Ansicht eines Teils des Spiralkompressors der Fig. 1.

BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Mit Bezug nun auf die Fig. 1-3, umfaßt ein Spiralkompressor 10 eine fixierte Spirale 11, welche in eine umlaufende Spirale 1 3 greift. Die umlaufende Spirale 13 wird durch eine Welle 17 angetrieben, welche durch einen Motor 15 zu einer bezüglich der fixierten Spirale 11 umlaufenden Bewegung angetrieben wird. Die Kompression des Fluids wird erreicht, wenn die Spiralhüllen 18, 20, welche von der umlaufenden Spirale 13 respektive von der fixierten Spirale 11 vorstehen, ineinandergreifen, um eine Vielzahl von Kompressionstaschen 19 dazwischen zu bilden, damit Volumina des Fluids eingeschlossen werden. Dieser umlaufende Vorgang verschiebt die Taschen von eingeschlossenem Fluid spiralförmig nach innen, während gleichzeitig das Fluidvolumen der Taschen verkleinert wird, wodurch das darin eingeschlossene Fluid komprimiert wird.
Wie am besten in der Fig. 3 zu sehen ist, wird eine Strömung aus unter Druck stehendem Fluid durch die Öffnungen 21, 23 hindurch in die entsprechenden Gegenkammern 25, 27 hinein ausströmen gelassen. Das Fluid in diesen Kammern erzeugt einen Gegendruck, der die umlaufende Spirale 13 gegen die fixierte Spirale 11 hin stößt, um die Undichtigkeit an den Spitzen zu reduzieren und dem umkippenden Moment entgegen zu wirken. Der erzeugte Gegendruck ist jedoch nicht über dem gesamten Zyklus konstant. Er variiert statt dessen während dem Zyklus, um den Fluktuationen im umkippenden Moment zu folgen, welches auf die umlaufende Spirale 13 wirkt und bewirkt, daß sie bezüglich der fixierten Spirale 11 gekippt wird. Somit ist der erzeugte Gegendruck gerade ausreichend, um dem umkippenden Moment entgegen zu wirken. Wenn das umkippende Moment groß ist, ist ein größerer Gegendruck verfügbar, um die umlaufende Spirale in ihrer Position festzuhalten, damit eine Undichtigkeit verhindert wird.
Wenn das umkippende Moment klein ist, ist auch der Gegendruck kleiner und erzeugt somit nicht übermäßige Reibungsverluste. Dieser Effekt wird erreicht, indem mindestens eine dynamische Kammer bereit gestellt wird, in welcher der Druck proportional zum umkippenden Moment fluktuiert.
In der gezeigten Ausführungsform gibt es zwei Öffnungen 21, 23 und zwei entsprechende Kammern 25, 27. Die Öffnung 23 liefert unter Druck stehendes Fluid in die statische Kammer 27 hinein. Die Öffnung 21 liefert unter Druck stehendes Fluid in die dynamische Kammer 25 hinein. Der Unterschied zwischen den zwei besteht darin, daß die statische Kammer während dem gesamten Zyklus einen relativ konstanten Fluiddruck hat, während die dynamische Kammer einen während dem Zyklus stark variierenden Fluiddruck hat. Die Kombination aus statischer Öffnung/Kammer hat einen kleinen Öffnungsdurchmesser und ein großes Kammervolumen. Die Abmessungen werden derart gewählt, daß eine ausreichende Dämpfung erzeugt wird, so daß der Druck während dem ganzen Zyklus beinahe konstant ist.
Die Variation des Druckes auf der Basis eines Subzyklus in der dynamischen Kammer wird erreicht, indem die Parameter des Öffnungsdurchmessers und des Kammervolumens relativ zueinander in geeigneter Weise demissioniert werden. Das dynamische Paar aus Öffnung/Kammer hat einen großen Durchmesser der Öffnung 21 und ein kleines Volumen des Kammer 25. Die Abmessungen werden derart gewählt, daß eine sehr kleine Dämpfung erzeugt wird, so daß der Druck in der dynamischen Kammer dem Kompressionsvorgang folgt. Damit wird die Variation des Druckes auf der Basis eines Subzyklus erreicht.
Es wurde entdeckt, daß, um in der statischen Kammer einen im wesentlichen konstanten Druck beizubehalten, das Verhältnis des Öffnungsdurchmessers zur Kubikwurzel des Kammervolumens relativ klein sein sollte. Um einen stark variierenden Druck in der dynamischen Kammer zu liefern, sollte das Verhältnis relativ groß sein. Als zum Beispiel ein Kompressor getestet wurde, der mit einer statischen Kammer konstruiert war, die das Verhältnis von 0.05 hatte, und einer dynamischen Kammer, die ein Verhältnis von 0.22 hatte, bewirkte dies eine Reduktion der reinen axialen Kraft um ungefähr 45%.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform eine dynamische und eine statische Kammer/Öffnungs-Kombination hat, sind andere Kombinationen möglich. Diese Erfindung umschließt jegliche Anzahl von dynamischen Kammer/Öffnungs-Kombinationen, die gleich oder größer als eins ist, mit oder ohne jeglicher Anzahl von statischen Kammern. Weil die gesamte Kraft des Gegendruckes auf die Spirale aus der Summe aus den Kräften besteht, die durch den konstanten Druck in der statischen Kammer und den variierenden Druck in der dynamischen Kammer erzeugt werden, variiert der gesamte Gegendruck über den Umlaufzyklus, anstatt daß er, wie beim bekannten Stand der Technik, konstant bleibt.
Ebenso kann eine Öffnung zu mehr als einer Kammer führen, und umgekehrt können mehr als eine Öffnung in eine Kammer hinein führen, solange die geeigneten Verhältnisse von effektivem Öffnungsdurchmesser/Kubikwurzel des effektiven Kammervolumens beibehalten werden. Eine andere Variante, die im wesentlichen ähnliche Resultate liefern kann, besteht darin, daß Gegendruck auf die fixierte Spirale, anstelle der umlaufenden Spirale, angewendet wird, wobei die fixierte Spirale fähig ist, sich in axialer Richtung zu bewegen. Obwohl die exakte Position der Öffnungen für diese Erfindung nicht wichtig ist und von den Eigenschaften von jedem Kompressor abhängen kann, sollte durch die Auswahl der Position der Öffnung die Druckvariation innerhalb der Kompressionskammer verwendet werden, um einen ausreichenden Druck in der Gegenkammer zu erzeugen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf die Ausführungsform des besten Modus davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, daß dabei das Vorausgegangene und verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und Zusätze der Form und der Einzelheiten davon gemacht werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen definiert wird, abzuweichen.

Claims

1. Spiralkompressor (10) zum Komprimieren eines Fluids, der eine erste Spiraleinrichtung (13) umfaßt, die eine Basis hat, welche einen Bodenteil und einen Spiralhüllenteil (18), der senkrecht von diesem Bodenteil der ersten Spiraleinrichtung (13) aus geht, umfaßt, eine zweite Spiraleinrichtung (11), die eine Basis hat, welche einen Bodenteil und einen Spiralhüllenteil, der senkrecht von diesem Bodenteil der zweiten Spiraleinrichtung (11) aus geht, umfaßt, wobei die Spiralhülle (18) der zweiten Spiraleinrichtung (11) ähnlich geformt ist wie die Spiralhülle der ersten Spiraleinrichtung (13), wobei die zweite Spiraleinrichtung (11) bezüglich der ersten Spiraleinrichtung (13) derart positioniert ist, daß die Spiralhüllen (18) ineinandergreifen, um dazwischen Kompressionstaschen (19) zu bilden, eine Einrichtung, um die erste Spiraleinrichtung (13) auf einer umlaufenden Bahn bezüglich der zweiten Spiraleinrichtung (11) zu bewegen, so daß in den Kompressionstaschen (19) eine Kompression des Fluids erreicht wird, gekennzeichnet durch:

eine dynamische Gegendruckkammer (25), die ein Volumen hat und hinter der Basis von einer der ersten und zweiten Spiraleinrichtung angeordnet ist, wobei die dynamische Gegendruckkammer ein erstes Volumen hat; und

eine Einrichtung, um Fluid (21) aus einer ersten ausgewählten einen der Kompressionstaschen (19) bei einer ausgewählten Stelle in die dynamische Gegendruckkammer (25) hinein auszulassen, wobei die Einrichtung zum Auslassen einen ersten effektiven Strömungsdurchmesser hat mit einem Verhältnis von diesem ersten effektiven Strömungsdurchmesser zu der Kubikwurzel des ersten Volumens, das in der Größenordnung von mindestens 0.2 liegt, wodurch darin ein dynamischer Druck eingerichtet wird, der über einen Umlaufzyklus der ersten Spiraleinrichtung (13) proportional zum umkippenden Moment, das während dem Kompressionsvorgang erzeugt wird, wesentlich variiert, wodurch er dem umkippenden Moment entgegen wirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter umfaßt:

eine statische Gegendruckkammer (27), die hinter der Basis von mindestens einer der ersten und zweiten Spiraleinrichtung angeordnet ist, wobei die statische Gegendruckkammer (27) ein zweites Volumen hat; und

eine Einrichtung (23), die einen zweiten effektiven Strömungsdurchmesser hat, um Fluid aus einer zweiten ausgewählten einen der Kompressionstaschen (19) in die statische Gegendruckkammer (27) hinein strömen zu lassen, wodurch darin ein statischer Druck eingerichtet wird, der über einen Umlaufzyklus der ersten Spiraleinrichtung (13) relativ konstant bleibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der:

die Einrichtung (21) zum Auslassen von Fluid aus der ersten ausgewählten Kompressionstasche in die dynamische Gegendruckkammer (25) hinein einen ersten Durchgang (21) für Fluid durch den Bodenteil der mindestens einen der ersten und zweiten Spiraleinrichtung (11) hindurch umfaßt, wobei der erste Durchgang (21) für Fluid eine erste Endöffnung zu der ersten ausgewählten Kompressionstasche und eine zweite Endöffnung zu der dynamischen Gegendruckkammer (25) hat; und

die Einrichtung (23) zum Auslassen von Fluid aus der zweiten ausgewählten Kompressionskammer in die statische Gegendruckkammer (27) hinein einen zweiten Durchgang (23) für Fluid durch den Bodenteil der mindestens einen der ersten und zweiten Spiraleinrichtung (11) hindurch umfaßt, wobei der zweite Durchgang (23) für Fluid eine erste Endöffnung zu der zweiten ausgewählten Kompressionstasche und eine zweite Endöffnung zu der statischen Gegenkammer (27) hat, wobei der zweite Durchgang (23) für Fluid einen zweiten effektiven Strömungsdurchmesser hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der:

ein Verhältnis des zweiten effektiven Strömungsdurchmessers zu der Kubikwurzel des zweiten Volumens der statischen Gegendruckkammer (27) relativ klein ist im Vergleich zum Verhältnis des ersten effektiven Strömungsdurchmessers zu der Kubikwurzel des ersten Volumens der dynamischen Gegendruckkammer (25).

5. Spiralkompressor (10) zum Komprimieren eines Fluids, der eine erste Spiraleinrichtung (13) umfaßt, die eine Basis hat, welche einen Bodenteil und einen Spiralhüllenteil (18), der senkrecht von diesem Bodenteil der ersten Spiraleinrichtung (13) aus geht, umfaßt, eine zweite Spiraleinrichtung (11), die eine Basis hat, welche einen Bodenteil und einen Spiralhüllenteil, der senkrecht von diesem Bodenteil der zweiten Spiraleinrichtung (11) aus geht, umfaßt, wobei der Spiralhüllenteil der zweiten Spiraleinrichtung (11) ähnlich geformt ist wie der Spiralhüllenteil (18) der ersten Spiraleinrichtung (13), wobei die zweite Spiraleinrichtung (11) bezüglich der ersten Spiraleinrichtung (13) derart positioniert ist, daß die Spiralhüllenteile ineinandergreifen, um dazwischen Kompressionstaschen (19) zu bilden, eine Einrichtung (17), um die erste Spiraleinrichtung (13) auf einer umlaufenden Bahn bezüglich der zweiten Spiraleinrichtung (11) zu bewegen, so daß in den Kompressionstaschen (19) eine Kompression des Fluids erreicht wird, gekennzeichnet durch:

eine dynamische Gegendruckkammer (25), die ein erstes Volumen hat, das hinter der Basis von einer der ersten und zweiten Spiraleinrichtung angeordnet ist;

eine statische Gegendruckkammer (27), die ein zweites Volumen hat, das viel größer ist als das erste Volumen und hinter der Basis von einer der ersten und zweiten Spiraleinrichtung angeordnet ist;

eine erste Durchgangseinrichtung (21) für Fluid, um Fluid aus einer ersten ausgewählten einen der Kompressionstaschen (19) in die dynamische Gegendruckkammer (25) hinein auszulassen, wobei die erste Durchgangseinrichtung (21) für Fluid einen ersten effektiven Strömungsdurchmesser hat mit einem ersten Verhältnis von dem ersten effektiven Strömungsdurchmesser der ersten Durchgangseinrichtung für Fluid zu der Kubikwurzel des ersten Volumens der dynamischen Gegendruckkammer (25), das relativ groß ist, wodurch ein dynamischer Druck innerhalb der dynamischen Gegendruckkammer (25) eingerichtet wird, der über einen Umlaufzyklus der ersten Spiraleinrichtung (13) proportional zum umkippenden Moment, das während dem Kompressionsvorgang erzeugt wird, wesentlich variiert, wodurch er dem umkippenden Moment entgegen wirkt; und

eine zweite Durchgangseinrichtung (23) für Fluid, um Fluid aus einer zweiten ausgewählten einen der Kompressionstaschen in die statische Gegendruckkammer (27) hinein auszulassen, wobei die zweite Durchgangseinrichtung (23) für Fluid einen zweiten effektiven Strömungsdurchmesser hat mit einem zweiten Verhältnis von dem zweiten effektiven Strömungsdurchmesser der zweiten Durchgangseinrichtung (23) für Fluid zu der Kubikwurzel des zweiten Volumens der statischen Gegendruckkammer (27), das relativ klein ist im Vergleich zum ersten Verhältnis, wodurch ein statischer Druck innerhalb der statischen Gegendruckkammer eingerichtet wird, der über einen Umlaufzyklus der ersten Spiraleinrichtung relativ konstant bleibt.