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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schraubenschaufel-
Fluidverdichter zum Verdichten eines Fluids, wie
beispielsweise eines Kühlmittelgases in einem Kältekreislauf.
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Verdichter werden gewöhnlich in Kolbenverdichter und
Umlaufverdichter eingeteilt. Zusätzlich zu diesen beiden Arten
gibt es einen Schraubenschaufelverdichter, der ein Kühlmittel
nacheinander von der Saugseite eines Zylinders durch
Arbeitskammern in Richtung von dessen Druckseite bewegt, um
das Kühlmittel zu verdichten, und der das verdichtete
Kühlmittel nach außen ausstößt.
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Ein derartiger herkömmlicher Schraubenschaufelverdichter wird
unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.
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Der Verdichter weist eine Antriebseinrichtung 105 auf, die
einen Stator 101 und einen Rotor 103 einschließt. Die
Antriebseinrichtung 105 dreht einen Zylinder 107. Der Zylinder
enthält einen Kolben 111. Der Kolben 111 ist um einen Abstand
e exzentrisch zum Zylinder 107 angeordnet, so daß sich der
Kolben 111 durch einen oldham-Ring 109 in bezug zum Zylinder
107 drehen kann.
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Eine Schraubennut 113 ist im wesentlichen über die gesamte
Länge des Kolbens 111 um den Umfang des Kolbens 111 herum
ausgebildet. Eine Schaufel 115 ist beweglich in die Nut 113
eingepaßt. Der Umfang der Schaufel 115 befindet sich im
Kontakt mit der Innenseite des Zylinders 107.
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Die in die Schraubennut 113 eingepaßte Schaufel 115 begrenzt
eine Mehrzahl von Arbeitskammern 117 in einem Raum zwischen
dem Kolben 111 und dem Zylinder 107. Das Volumen jeder
Arbeitskammer 117 wird durch eine entsprechende Steigung der
Schraubennut 113 bestimmt. Die Steigungen der Nut 113 werden
von der Saugseite des Kolbens 111 in Richtung von dessen
Druckseite allmählich kürzer. Das heißt, die Volumina der von
der Schaufel 115 begrenzten Arbeitskammern 117 nehmen von der
Saugseite (der rechten Seite in der Figur) in Richtung der
Druckseite (der linken Seite in der Figur) allmählich ab, so
daß das Kühlmittel allmählich verdichtet wird, während es von
der Saugseite in Richtung der Druckseite gefördert wird.
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Die Schaufel 115 bewegt sich in der Schraubennut 113 nach
innen und nach außen, so daß sich der Umfang der Schaufel 115
teilweise im Kontakt mit der Innenseite des Zylinders 107
befindet, um die Arbeitskammern 117 abzudichten.
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Die Förderleistung des Verdichters wird durch das Volumen der
Arbeitskammer 117 bestimmt, die an der Sauqseite begrenzt ist.
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Um die Menge eines Kühlmittels zu vergrößern, muß eine
Steigung der Schaufel 115 für die Arbeitskammer an der
Saugseite länger gemacht werden.
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Figur 2 zeigt die Schaufel 115. Verglichen mit einem Bereich
kleiner Steigung (der linken Seite in der Figur) der Schaufel
115 ist ein Bereich großer Steigung (die rechte Seite in der
Figur) mit großen Windungen 119 verbunden, die stark gegen die
Wand der Schraubennut 113 gedrückt werden können. Ein
Berührungsdruck zwischen den Windungen 119 und der Nut 113
erzeugt einen Gleitwiderstand, der eine reibungslose Bewegung
der Schaufel 115 in der Nut 113 verhindert. Wenn sich die
Schaufel 115 nicht reibungslos in der Nut 113 bewegt, befindet
sich der Umfang der Schaufel 115 nicht in engem Kontakt mit
der Innenseite des Zylinders 107. Dies führt zu einer
Durchbrechung des abgedichteten Zustands der Arbeitskaminern
117 und verschlechtert die Förderleistung.
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Ein Fluidverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
ist aus der EP-A-0 376 049 bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Fluidverdichter bereitzustellen, der die Luftdichtigkeit
zwischen seinem Zylinder und seiner Schaufel verbessert und
die Förderleistung vergrößert.
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Diese Aufgabe wird durch einen Fluidverdichter gelöst, welcher
die Merkmale des Patentanspruchs einschließt.
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Um das Ziel zu erreichen, stellt die Erfindung einen
Fluidverdichter bereit, umfassend: einen Zylinder, der von
einer Antriebseinheit angetrieben wird und eine Ansaugöffnung
und eine Auslaßöffnung aufweist; einen zylindrischen Kolben,
der exzentrisch im Zylinder angeordnet ist, so daß sich sein
Umfang teilweise im Kontakt mit der Innenseite des Zylinders
befinden kann, und der in bezug zum Zylinder beweglich ist;
eine Schraubennut, die um den Kolben herum ausgebildet ist,
mit Steigungen, welche von der Ansaugöffnungsseite in Richtung
der Auslaßöffnungsseite allmählich kleiner werden; und eine
Schraubenschaufel, die beweglich in die Schraubennut eingepaßt
ist, um zwischen der Innenseite des Zylinders und dem Umfang
des Kolbens eine Mehrzahl von Arbeitskammern zu begrenzen. Der
Außendurchmesser der Schaufel ist zumindest an der
Ansaugöffnungsseite größer als der Innendurchmesser des
Zylinders.
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Bei diesem Fluidverdichter befindet sich die in die
Schraubennut eingepaßte Schaufel im Kontakt mit der Innenseite
des Zylinders, um die Arbeitskammern zu begrenzen. Da der
Außendurchmesser der Schaufel an der Ansaugöffnungsseite
größer als der Innendurchmesser des Zylinders ist, wirkt eine
starke Rückstellkraft auf die Schaufel ein. Aufgrund dieser
Rückstellkraft kann sich die Schaufel in der Nut reibungslos
nach außen und innen bewegen, selbst wenn zwischen der
Schaufel und der Wand der Schraubennut ein Gleitwiderstand
auftritt. Dementsprechend befindet sich der Umfang der
Schaufel sicher im Kontakt mit der Innenseite des Zylinders,
um die Arbeitskammern dicht abzudichten.
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Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden ausftihrlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Fluidverdichter
gemäß einem Stand der Technik zeigt;
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht, welche eine Schaufel gemäß dem
Stand der Technik zeigt.
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Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht, welche einen
Zylinder und einen Kolben eines erfindungsgemäßen
Fluidverdichters zeigt;
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Fig. 4 ist eine Seitenansicht, welche eine Schaufel aus dem
Stand der Technik in Fig. 3 zeigt;
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht, welche eine weitere Schaufel
aus dem Stand der Technik zeigt;
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Fig. 6 ist eine Seitenansicht, welche eine Schaufel gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht, welche den erfindungsgemäßen
Fluidverdichter zeigt;
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Kolben
zeigt;
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Fig. 9 ist eine Schnittansicht, welche einen Oldham-Ring
zeigt;
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Fig. 10 ist eine Ansicht, welche einen um 90 Grad gedrehten
Zustand eines wesentlichen Teils des Verdichters der Erfindung
zeigt.
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Fig. 11 ist eine Ansicht, welche einen um 180 Grad gedrehten
Zustand des wesentlichen Teils des Verdichters der Erfindung
zeigt.
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Fig. 12 ist eine Ansicht, welche einen um 270 Grad gedrehten
Zustand des wesentlichen Teils des Verdichters der Erfindung
zeigt.
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Fig. 13 ist eine Ansicht, welche einen um 360 Grad gedrehten
Zustand des wesentlichen Teils des Verdichters der Erfindung
zeigt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf
die Figuren 3 bis 13 ausführlich erläutert.
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Figur 7 ist eine Schnittansicht, welche einen geschlossenen
Fluidverdichter 3 gemäß der Erfindung zeigt. Dieser Verdichter
wird in einem Kältekreislauf verwendet. Der Verdichter 3 weist
ein geschlossenes Gehäuse 1 mit einem Ansaugrohr 5 und einem
Auslaßrohr 7 auf. Das geschlossene Gehäuse 1 enthält eine
Antriebseinheit 9 und ein Verdichtungselement 11.
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Die Antriebseinheit 9 schließt einen an der Innenseite des
Gehäuses 1 befestigten Stator 13 und einen drehbar im Stator
13 angeordneten Rotor 15 ein.
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Das Verdichtungselement 11 umfaßt einen Kolben 17 und einen
Zylinder 19. Der Zylinder 19 ist am Rotor 15 befestigt und
weist offene Enden auf. Eines der offenen Enden auf der linken
Seite in der Figur bildet eine Auslaßöffnung 21, und das
andere offene Ende bildet eine Ansaugöffnung 23.
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Der Kolben 17 besitzt eine aus Eisenwerkstoffen hergestellte
zylindrische Gestalt. Der Kolben 17 ist längs einer Achse des
Zylinders 19 innerhalb des Zylinders 19 angeordnet. Eine
Mittelachse A des Kolbens 17 ist exzentrisch zu einer
Mittelachse B des Zylinders 19. Das heißt, die Achse A ist von
der Achse B aus um einen Abstand e nach unten verschoben, so
daß sich ein Teil des Kolbens 17 in linearem Kontakt mit der
Innenseite des Zylinders 19 befindet.
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Stirnenden des Kolbens 17 bilden Tragteile 17a und 17b, welche
von einem ersten bzw. zweiten Tragelement 25 bzw. 27 getragen
werden.
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Das erste Tragelement 25 umfaßt einen an der Innenseite des
Gehäuses 1 befestigten Flansch 25a und einen aus dem Flansch
25a überstehenden zylindrischen Lagerteil 25b. Eine
Stirnöffnung des Zylinders 19 ist drehbar über den Lagerteil
25b gepaßt. Der Lagerteil 25b weist eine innere Lagerbohrung
29 auf, in welche der Tragteil 17a des Kolbens 17 drehbar
eingesetzt ist. Bei dieser Tragstruktur ist jede Lagerfläche
abgedichtet.
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Das zweite Tragelement 27 umfaßt einen an der Innenseite des
Gehäuses 1 befestigten Flansch 27a und einen aus dem Flansch
27a überstehenden zylindrischen Lagerteil 27b. Der Lagerteil
27b weist eine innere Lagerbohrung 31 auf, in welche der
Tragteil 17b des Kolbens 17 drehbar eingesetzt ist.
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Ein Oldham-Ring 33 ist am Kolben 17 befestigt. Eine
Antriebskraft wird durch den Oldham-Ring 33 auf den Zylinder
19 übertragen.
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Figur 9 zeigt die Einzelheiten des Oldham-Rings 33.
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In der Figur weist der Kolben 17 ein quadratisches Teilstück
35 mit einem quadratischen Querschnitt zur Bereitstellung von
Kraftübertragungsflächen auf. Der Oldham-Ring 33 weist ein
rechteckiges Langloch 37 auf, in welches das quadratische
Teilstück 35 des Kolbens 17 mit einem Spiel dazwischen
eingesetzt ist. Aufgrund des Spiels kann sich das quadratische
Teilstück 35 des Kolbens 17 im Langloch 37 des Oldham-Rings 33
verschieben.
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Der Umfang des Oldham-Rings 33 weist Öffnungen auf, um jeweils
die einen Enden eines Paars von Übertragungsbolzen 39
aufzunehmen. Die Bolzen können sich senkrecht zur
Längsrichtung des Langlochs 37 in diametraler Richtung
ungehindert in den Öffnungen verschieben. Die anderen Enden
der Übertragungsbolzen 39 sind in Öffnungen 41 befestigt,
welche auf der Innenwand des Zylinders 19 ausgebildet sind.
Diese Anordnung schränkt die Drehung des Kolbens 17 ein.
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Wenn der Antriebseinheit 9 Energie zugeführt wird, dreht sich
der Zylinder 19 mit dem Rotor 15, und der Oldham-Ring 33
erzeugt eine relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem
Umfang des Kolbens 17 und der Innenseite des Zylinders 19. Die
relative Geschwindigkeitsdifferenz verändert sich im Zeitraum
einer Umdrehung, und der Kolben 17 dreht sich im Zylinder 19.
Das heißt, der Kolben 17 dreht sich in bezug zum Zylinder 19
in der exzentrischen Position, die von der Achse des Zylinders
19 einen Abstand e aufweist.
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Figur 8 zeigt die Einzelheiten des Kolbens 17.
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Eine Schraubennut 43 ist um den Kolben 17 herum ausgebildet,
und erstreckt sich in axialer Richtung. Steigungen P der
Schraubennut 43 werden von der Ansaugöffnung 23 (der rechten
Seite in Fig. 7) in Richtung der Auslaßöffnung 21 (der linken
Seite in derselben Figur) allmählich kleiner. Eine
Schraubenschaufel 45 ist in die Schraubennut 43 eingepaßt&sub9; Die
Schaufel 45 ist aus einem elastischem Kunstharz hergestellt.
Aufgrund der Elastizität ist die Schaufel 45 in der Nut 43
nach innen und außen beweglich.
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Figur 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht, welche den
Kolben 17, den Zylinder 19 und die Schaufel 45 zeigt. In
dieser Figur und in Fig. 4 ist ein Außendurchmesser D der
Schaufel 45 insbesondere an der Ansaugöffnung 23 mit einer
großen Steigung P größer als ein Innendurchmesser d des
Zylinders 19.
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Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Schaufel 45 aus Fig. 49
Diese Schaufel weist einen gleichförmigen Durchmesser D auf,
der größer als der Innendurchmesser d des Zylinders 19 ist.
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Figur 6 zeigt eine Schaufel 45 gemäß der Erfindung. Diese
Schaufel weist eine verjüngte Form auf, mit Durchmessern, die
von der Auslaßöffnung 21 mit einer kleineren Steigung P in
Richtung der Ansaugöffnung 23 mit einer größeren Steigung P
allmählich zunehmen.
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Die Schaufel 45 dreht sich im wesentlichen mit derselben
Winkelgeschwindigkeit wie derjenigen des Zylinders 19, so daß
keine Relativverschiebung zwischen der Schaufel 45 und dem
Zylinder 19 stattfindet. Während sich die Schaufel 45 dreht,
führt sie in der Schraubennut 43 wiederholt Bewegungen nach
außen und nach innen durch.
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In Fig. 10 befindet sich der Umfang der Schaufel 45 im Kontakt
mit der Innenseite des Zylinders. Die Schaufel 45 begrenzt
eine Mehrzahl von Arbeitskammern 47 in einem Raum zwischen der
Innenseite des Zylinders 19 und dem Umfang des Kolbens 17.
Jede der Arbeitskammern 47 wird zwischen zwei benachbarten
Windungen der Schaufel 45 gebildet. Jede Arbeitskammer 47
erstreckt sich entlang der Schaufel 45 von einem
Kontaktbereich zwischen dem Kolben 17 und dem Zylinder 19 zum
nächsten Kontaktbereich zwischen diesen, um eine sichelförmige
Gestalt zu bilden.
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Wie in Fig. 10 dargestellt, nehmen die Volumina der
Arbeitskammern 47 von der Ansaugäffnung 23 in Richtung der
Auslaßöffnung 21 allmählich ab. Das heißt, die Arbeitskammer
47 an der Ansaugöffnung 23 weist das größte Volumen auf, und
die Volumina nehmen in Richtung der Auslaßöffnung 21
allmählich ab.
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Kehrt man zu Fig. 7 zurück, so ist die erste Arbeitskammer 47
an der Ansaugöffnung 23 durch eine im Kolben 17 ausgebildete
Saugöffnung 49 und einen im Lagerteil 25 ausgebildeten Pfad 51
mit dem Saugrohr 5 des Kältekreislaufs verbunden.
Dementsprechend wird das Kühimittelgas sicher und
kontinuierlich vom Saugrohr 5 durch die Saugöffnung 49 im
Zylinder 19 in die erste Arbeitskammer 47 geführt.
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Auf der anderen Seite weist die Arbeitskammer 47 an der
Auslaßöffnung 21 das kleinste Volumen auf. Diese Arbeitskammer
ist mit der Auslaßöffnung 21 verbunden, welche zum Ende des
Zylinders 19 hin offen ist.
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Der Kolben 17 weist einen Schmiermittelpfad 53 auf. Ein Ende
des Schmiermittelpfades 53 ist mit dem Boden der Schraubennut
43 verbunden und sein anderes Ende mit einem Leitrohr 55, das
am Boden des Gehäuses 1 eine Öffnung aufweist. Wenn der Druck
im Gehäuse 1 zunimmt, wird ein auf dem Boden des Gehäuses 1
gespeichertes Schmiermittel 56 durch den Schmiermittelpfad 53
in die Schraubennut 43 zugeführt, um dazu beizutragen, daß
sich die Schaufel 45 in der Nut 43 reibungslos nach innen und
außen bewegt.
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Ein Betrieb des Fluidverdichters wird nun erläutert.
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Der Antriebseinheit 9 wird Energie zugeführt, um den Rotor 15
und den Zylinder 19 gemeinsam zu drehen. Der Kolben 17 wird
dann durch den Oldham-Ring 33 gedreht. Da der Kolben 17 zum
Zylinder 19 exzentrisch ist, tritt zwischen der Innenseite des
Zylinders 19 und dem Umfang des Kolbens 17 eine relative
Geschwindigkeitsdifferenz auf. Die relative
Geschwindigkeitsdifferenz verändert sich im Zeitraum einer
Umdrehung des Zylinders 19, um das Kühlmittelgas in die in der
Nähe der Ansaugöffnung 23 angeordnete Arbeitskammer 47
zuzuführen. Das Kühlmittel wird nacheinander durch die
Arbeitskammern 47 transportiert und verdichtet und aus der in
der Nähe der Auslaßöffnung 21 angeordneten Arbeitskammer 47 in
das Auslaßrohr 7 ausgestoßen.
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Erfindungsgemäß ist der Außendurchmesser der Schaufel 45
zumindest in der Nähe der Ansaugöffnung 23 größer als der
Innendurchmesser des Zylinders 19. Diese Gestaltung versieht
die Schaufel 45 mit einer starken Rückstellkraft, welche die
Schaufel 45 gegen die Innenseite des Zylinders 19 drückt.
Selbst wenn die großen Windungen der Schaufel 45 einen großen
Gleitwiderstand zwischen der Schaufel 45 und der Wand der
Schraubennut 43 erzeugen, bewirkt die starke Rückstellkraft,
daß sich der Umfang der Schaufel 45 sicher im Kontakt mit der
Innenseite des Zylinders 19 befindet, um die Arbeitskammern 47
dicht abzudichten.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung einen Schraubenschaufel-
Fluidverdichter bereit, der große Schaufelsteigungen enthält,
um die Förderleistung zu vergrößern. Selbst wenn diese großen
Steigungen der Schaufel große Windungen auf der Schaufel
hervorrufen, befindet sich die Schaufel der Erfindung in engem
Kontakt mit der Innenseite eines Zylinders, um Arbeitskammern
sicher abzudichten.
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Verschiedene Abwandlunqen werden für den Fachmann nach einer
Aufnahme der Lehren der vorliegenden Offenbarung möglich, ohne
deren Reichweite zu verlassen.