DE69516102T2

DE69516102T2 - Antriebszapfenteil für Spiralverdichter

Info

Publication number: DE69516102T2
Application number: DE69516102T
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Barito; Cheryl M. Keiling
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2015-12-19
Also published as: EP0718498B1; EP0718498A1; KR960023809A; JPH08219039A; BR9505901A; KR0159992B1; DE69516102D1; US5496158A; MY113099A; CN1059953C; ES2145888T3; CN1130723A

Description

Bei einigen Rollenkompressoren (scroll compressors) wird die Kurbelwelle an einem Ende und nahe an dem anderen Ende gestützt, so daß ein exzentrischer Antriebsstift relativ zu dem Stützlager auskragt bzw. frei hervorsteht. Der Antriebsstift wirkt mit der umlaufenden Rolle (scroll) des Kompressors durch einen Gleitblock oder eine Laufbuchse zusammen, welcher/welche es dem Antriebstift ermöglicht, zu rotieren, während die umlaufende Rolle über einen Anti- Rotationsmechanismus, wie z. B. eine Oldhamkupplung, in einer Umlaufbewegung gehalten wird. Das Zusammenwirken zwischen dem Antriebsstift und dem Gleitblock ist aufgrund der Natur der Kraftübertragung kompliziert. Die Zentrifugalkraft neigt dazu, die umlaufende Rolle gegen die von dem komprimierten Gas aufgebrachten, radialen Gaskräfte radial nach außen zu bewegen. Diese Bewegung bringt den Gleitblock zu einer Gleitbewegung relativ zu dem Antriebsstift. Bei einem Ausschalten, wo die radial gerichteten Gaskräfte die · Zentrifugalkraft übersteigen, oder im Falle des stoßweisen Fließens des Liquides, bewegt sich die umlaufende Spirale radial nach innen, wieder unter einer gleitenden Bewegung zwischen dem Gleitblock und dem Antriebsstift. Kleinere Auslenkungen können auch aufgrund von Unregelmäßigkeiten in den Flanken der Rollenumhüllungen (scroll wraps) auftreten. Zusätzlich kann eine Relativbewegung zwischen dem Gleitblock und dem Antriebsstift aus einer Verbiegung des Stiftes unter laßt herrühren. Ein Rollenkompressor dieser Art ist in der FR-A-2 673 685 und in der EP-A-0 365 132, auf der die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruchs 1 aufgebaut ist, offenbart.
In der FR-A-2 637 660 wird ein Rollenkompressor offenbart, bei dem die Kurbelwelle bzw. Antriebsglied eine exzentrische Öffnung aufweist, und ein zylindrischer, angetriebener Stift der umlaufenden Rolle wird exzentrisch in der Öffnung aufgenommen. Ein Mechanismus zur radialen Kompensation enthält eine Vielzahl von Rollenelementen mit verschiedenen Durchmessern und ist in der Öffnung um den zylindrischen Stift herum angeordnet.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die Rollenflanken beim Ausschalten radial voneinander zu trennen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, die Kräfte zu reduzieren, die notwendig sind, die Umhüllungen beim Abschalten zu trennen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, den Hang zum Rückwärtsbetrieb beim Abschalten zu reduzieren oder ganz abzustellen.
Grundsätzlich sind, um diese Ziele zu erreichen, und in Übereinstimmung mit der Erfindung, wie sie in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert ist, Rollenelement- Stützen (Rollenelement-Lager) an der Grenzfläche zwischen der Antriebsfläche der Welle und der angetriebenen Fläche des Gleitblocks angeordnet, um die Reibung zu minimieren.
Während des Abschaltens, wirkt die statische Reibung mit der nachlassenden Zentrifugalkraft zusammen, um den radialen Gaskräften entgegenzuwirken, die dazu neigen, die Umhüllungen der festen und der umlaufenden Rolle zu trennen. Durch ein Reduzieren der statischen oder Grenzflächen-Schmierungs-Reibung, welche eine Größenordnung höher ist als die Rollreibung, werden die radialen Gaskräfte in die Lage versetzt, die Zentrifugalkraft eher zu überwinden und die Rollen während des Abschaltvorganges eher zu trennen. Die Trennung der Rollen erlaubt einen Druckausgleich des Gefrier- oder Klimatisierungssystems über den Kompressor. Damit wird die Trägheit der Bewegung, die die Zentrifugalkraft erzeugt, noch immer vorläufig einem Rückwärtslauf des Kompressors entgegenwirken, da die Druckdifferenz über den Kompressor aufgrund der Trennung der Umhüllungen reduziert worden ist. Wenn der Kompressor zum Stillstand kommt, korrespondiert der reduzierte Differenzdruck zu einer Reduzierung hinsichtlich der Bewegungsleistung zum Rückwärtslauf und wird zumindest zu einem Rückwärtslauf mit weniger Energie führen. Die Reduzierung/Auslöschung des Hanges zum Rückwärtslauf kann den Verzicht auf das Rückschlagventil in der Entladungsleitung ermöglichen. Auch reduziert das Bereitstellen einer besseren Verbindung das mit dem Anschlagen der Umhüllung während des Dauerbetriebes verbundene Geräusch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rollenkompressors sind in den abhängigen Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.
Fig. 1 ist eine Ansicht des Endes einer Kurbelwelle zur Verwendung in einem Rollenkompressor, die die vorliegende Erfindung beinhaltet;
Fig. 2 ist eine vertikale, geschnittene Teilansicht eines Rollenkompressors, der die vorliegende Erfindung beinhaltet, wobei der Schnitt entlang einer zu der Linie 2-2 aus Fig. 3 entsprechenden Linie genommen ist;
Fig. 3 ist eine geschnittene Ansicht, wobei der Schnitt entlang der Line 3-3 aus Fig. 2 genommen ist;
Fig. 4 ist eine räumliche Ansicht des Gleitblockes und der Rollenelement-Stützen aus den Fig. 2 und 3;
Fig. 5 ist eine vertikale, geschnittene Ansicht durch einen modifizierten Antriebsstift und Gleitblock;
Fig. 6 ist eine entlang der Linie 6-6 in Fig. 5 genommene Schnittansicht des Gegenstandes der Fig. 5;
Fig. 7 ist eine teilweise geschnittene räumliche Ansicht eines zweiten modifizierten Gleitblocks und Rollenelement-Stützen;
Fig. 8 ist eine teilweise geschnittene räumliche Ansicht eines dritten modifizierten Gleitblocks und Rollenelement-Stützen;
Fig. 9 ist eine vertikale, geschnittene Ansicht eines vierten modifizierten Gleitblocks und Rollenelement-Stützen;
Fig. 10 ist eine vertikale, geschnittene Ansicht eines fünften modifizierten · Gleitblocks und Rollenelement-Stützen; und
Fig. 11 gleicht Fig. 3, zeigt aber die zwischen dem Antriebsglied und dem angetriebenen Glied wirkenden Kräfte.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 20 allgemein eine Kurbelwelle. Die Kurbelwelle 20 weist einen exzentrisch angeordneten Antriebsstift 20-1 mit einem gekrümmten Abschnitt 20-2 auf. Der Punkt A bezeichnet die Achse des Antriebsstiftes 20-1, wohingegen der Punkt B die Achse der Kurbelwelle 20 bezeichnet.
In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein einen luftdichten Rollenkompressor mit einem Gehäuse 12. Eine festgelegte Rolle 14 und eine umlaufende Rolle 16 sind innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet und wirken zum Komprimieren eines Gases auf herkömmliche Weise zusammen. Die Umlaufende Rolle 16 weist eine sich in axialer Richtung erstreckende Nabe 16-1 mit einer Bohrung 16-2 auf. Wie am besten in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Gleitblock 24 in der Bohrung 16-2 angeordnet, und dieser weist eine Bohrung 24-1 darin auf, die eine Ausnehmung 24-2 aufweist, welche eine Vielzahl von zylindrischen Rollenelement-Stützen 30 aufweist. Wie am besten in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Stützen 30 gegen ein Ende der Ausnehmung 24-2 durch eine Feder 34 federbelastet. Die Kurbelwelle 20 wird durch ein Motor (nicht dargestellt) angetrieben und der sich in axialer Richtung erstreckende, exzentrisch angeordnete Antriebsstift 20-1 wird in der Bohrung 24-1 mit einem Spiel aufgenommen, so daß der Gleitblock 24 und die von diesem getragenen Stützen 30 sich relativ zu dem Antriebsstift 20-1 in einer zu einer durch die in Fig. 3 mit A und B bezeichneten Achsen definierten Ebene parallelen Richtung bewegen können. Der gekrümmte Abschnitt 20-2 des Antriebsstifts 20-1 bestimmt eine in linienförmigem Kontakt mit den Stützen 30 stehende Oberfläche. Der gekrümmte Abschnitt 20-2 weist einen zentralen Bereich der Krümmung auf, der quer zu der Achse der Kurbelwelle 20 und parallel zu der Ebene der Stützen 30 liegt.
Wenn der Kompressor 10 betrieben wird, bewirkt der Motor (nicht gezeigt) eine Rotation der Kurbelwelle um ihre Achse, welche als Punkt B in den Fig. 1 und 3 auftaucht, zusammen mit dem exzentrisch angeordneten Antriebsstift 20-1. Der Antriebsstift 20-1 weist eine Achse A-A auf, welche als Punkt A in den Fig. 1 und 3 auftaucht. Somit bewirkt die Rotation der Kurbelwelle 20 um ihre eigene Achse, daß sich die Achse A-A des Antriebsstiftes 20-1 um den Punkt B, wie er in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, dreht und erzeugt eine Antriebskraft Fdrive, die auf den Gleitblock 24 wirkt, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Der Abstand zwischen den Punkten A und B gibt den Umlaufradius der umlaufenden Rolle 16 an. Da der Antriebsstift 20-1 in der Betriebsposition innerhalb der Bohrung 24-1 angeordnet ist und zu dieser nominell koaxial verläuft, bewirkt die Rotation des Antriebsstiftes 20-1, die mit der Kraft Fdrive über die Stützen 30 angreift, daß der Gleitblock 24 sich mit diesem um die Achse der Kurbelwelle 20, wie sie durch den Punkt B bezeichnet ist, dreht. Der Antriebskraft Fdrive wirken die tangentialen Gaskräfte Ftg entgegen. Der Gleitblock 24 ist in der Bohrung 16-2 angeordnet und liegt koaxial zu dieser, und er bewirkt so wegen des Zusammenwirkens der Oldhamkupplung 18 mit der umlaufenden Rolle 16, daß die umlaufende Rolle 16 umläuft, anstelle mit diesem zu rotieren. Somit existiert eine relative Drehbewegung des Gleitblocks 24 relativ zu der umlaufenden Rolle 16. Durch den wie beschrieben arbeitenden Kompressor 10 werden Gase durch das Zusammenwirken der festgelegten Rolle und der umlaufenden Rolle komprimiert, was dadurch begleitet wird, daß das komprimierte Gas auf die festgelegte Rolle und die umlaufende Rolle einwirkt und dazu neigt, deren Trennung in radialer wie in axialer Richtung zu bewirken. Die radialen Trennkräfte Frg werden über die Nabe 16-1 auf den Gleitblock 24 übertragen. Den radialen Gas-Trennkräften wird durch die Zentrifugalkräfte Fc, die auf die umlaufende Rolle 16 über den Antriebsstift 20-1 aufgebracht werden, entgegengewirkt. Unter Vernachlässigung der Reibung bildet die Differenz zwischen Frg und Fc die Dichtkraft Fseal.
Fig. 3 zeigt den Antriebsstift 20-1, wie er die Bohrung 24-1 des Gleitblocks 24 in 12 Uhr-Stellung kontaktiert, und repräsentiert eine Position, in der die Flanken der Umhüllungen 14-1 und 16-3 getrennt wären, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn jedoch die Zentrifugalkräfte Fc größer sind als die radialen Gaskräfte Frg, würden sich der Gleitblock 24 und die umlaufende Rolle 16 relativ zu ihrer in Fig. 3 dargestellten Position bewegen, so daß der Antriebsstift 20-1 nominell koaxial mit der Bohrung 24-1 ist. Sie würden in der Position relativ zu A und B so lange verbleiben, wie die Zentrifugalkraft Fc ausreicht, die radialen Gaskräfte Frg zu überwinden. Da die Antriebsfläche 20-2 des Stiftes 20-1 an den angetriebenen Gleitblock 24 über die Rollenelement-Stützen 30 angekoppelt ist, existiert nur eine sehr kleine statische oder Grenzschmierungs-Reibung u Ftg, wobei u der Koeffizient der Rollreibung ist, was die Zentrifugalkraft Fc beim Entgegenwirken gegen ein Trennen von gegenüberliegenden Flanken durch die radialen Gaskräfte Frg unterstützt. Als ein Ergebnis bewirkt das Vorhandensein der Stützen 30, daß · eine Trennung der Flanken zwischen den Umhüllungen 14-1 und 16-3 bei einer höheren Zentrifugalkraft Fc und früher I bei einer größeren Geschwindigkeit beim Abschaltprozeß auftritt, wodurch ein höherer Grad des Druckausgleiches bewirkt wird, bevor die Rotation der Kurbelwelle 20 aufhört und diese einer Rückwärtsdrehung in der Gegenwart einer ausreichenden Kraft, welche als Differenzdruck über den Kompressor 10 verfügbar ist, unterworfen ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine modifizierte Ausführungsform, bei der die Stützen durch den Antriebsstift getragen werden und diesen umgeben. Der modifizierte Antriebsstift 120-1 verfügt über eine ringförmige Ausnehmung 120-2, welche eine Vielzahl von zylindrischen Rollenelement-Stützen 130 aufnimmt, welche durch eine Reihe von Verbindungsgliedern 132 nach Art einer Kette ringförmig zusammengehalten werden. Die Stützen 130 sind zwischen dem Stift 120-1 und der Bohrung 124-1 angeordnet und wirken mit der Oberfläche 124-2 des Gleitblocks 124 zusammen. Abgesehen von der Tatsache, daß die Stützen 130 von dem Antriebsstift 120-1 getragen werden, ist das Zusammenwirken der Teile dieselbe und erlaubt eine Trennung der Flanken der Rollen-Umhüllungen bei einer höheren Zentrifugalkraft, aufgrund der Unterstützung durch die reduzierte Reibung.
Fig. 7 stellt einen modifizierten Gleitblock 224 dar, der dem in den Fig. 2 bis 4 gezeigten mit der Ausnahme ähnlich ist, daß die zylindrischen Rollenelement- Stützen 230 in einem Käfig 234 getragen werden. Der Käfig 234 wird über eine Schraube 238 durch eine Platte 236 in Position gehalten. Die Platte 236 schützt die Rollen 230 und den Käfig 234 nur davor, aus dem Gleitblock 224 zu fallen, und beschränkt die laterale Bewegung der Rollen 230 und des Käfigs 234 nicht. Der Betrieb der Ausführungsform aus Fig. 7 wird derselbe sein, wie der nach den Fig. 2 bis 4 mit der Ausnahme, daß die Stützen 230 durch den Käfig 234 gehalten werden.
Fig. 8 zeigt einen weiteren modifizierten Gleitblock 324, der dem aus Fig. 7 ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß anstelle der zylindrischen Rollenelement-Stützen eine Vielzahl von ballförmigen oder sphärischen Rollenelement-Stützen 330 durch den Käfig 334 getragen werden. Mit Ausnahme der unterschiedlichen Stützen wird die Vorrichtung aus Fig. 8 genauso betrieben wie jenes aus Fig. 7.
Fig. 9 zeigt einen weiteren modifizierten Gleitblock 424, der ähnlich dem in Fig. 7 gezeigten ist, mit der Ausnahme, daß anstelle von zylinderförmigen gewölbte Rollenelement-Stützen verwendet werden. Der Antriebsstift 420-1 oder die Welle 420 weist eine flache Oberfläche 420-2 auf, welche mit den Stützen 430 zusammenwirkt. Die gebogenen Stützen 430 sind durch einen Käfig 434 getragen und bieten den Vorteil des Zusammenwirkens einer gebogenen und einer flachen Oberfläche, welcher in umgekehrter Weise in Fig. 2 gezeigt ist, und welcher eine Verbiegung der Welle 420 und/oder des Stiftes 420-1 aufnimmt.
Fig. 10 zeigt die Umkehrung der Ausführungsform aus Fig. 9 dahingehend, daß es die Verwendung einer konkaven oder uhrglasförmigen Rollenelement-Stütze 530, die in dem Gleitblock 524 durch den Käfig 534 getragen werden, zeigt. Der Antriebsstift 520-1 der Kurbelwelle 520 weist einen gekrümmten Abschnitt 520-2 auf, der in dem entgegengesetzt gekrümmten Abschnitt der Stützen 530 aufgenommen wird. Diese Ausführungsform gibt eine größere Kontaktfläche zwischen der Stütze 530 und der gekrümmten Oberfläche 520-2 des Stiftes 520-1 über einen Krümmungsbereich der Kurbelwelle 520 und des Stiftes 520-1.
Bei den vorangegangenen Ausführungen wurde das Zusammenwirken der einzelnen Glieder in Form eines linienförmigen Kontaktes beschrieben. Hertz'sche Druckpressung wird dazu neigen, die gekrümmten Oberflächen abzuflachen, so daß in der Realität der linienförmige Kontakt zu einem "bandartigen" Kontakt wird, mit einer Weite des Bandes, die von dem Grad der Abflachung abhängt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden andere Veränderungen für einen Fachmann auftreten. Bspw. kann die Höhe der Stützen eingestellt werden, um den Grad und die Lage des Kontaktes einzustellen, da der gekrümmte Stift und/oder die gewölbte Stütze einen örtlich relativ festgelegten Kontakt aufweisen. Es ist daher beabsichtigt, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung ausschließlich durch den Umfang der anhängenden Ansprüche beschränkt wird.

Claims

1. Rollenkompressor (10) (scroll compressor) mit einer ersten und einer zweiten Rolle (scroll) (14; 16), einem Antrieb für eine Kurbelwelle (20), der ein angetriebenes Element (24; 124; 224; 324; 424; 524) aufweist, das mit der ersten Rolle zusammenwirkt und diese antreibt, sowie einer sich darin in axialer Richtung erstreckenden Öffnung (24-1; 124-1), einer Kurbelwelle (20), die eine Achse (B-B), ein sich in axialer Richtung erstreckendes, an der Kurbelwelle angeformtes Antriebsmittel (20-1; 120-1; 420-1; 520-1) und eine in bezug auf die Achse der Kurbelwelle exzentrisch angeordneten Achse (A- A) aufweist, wobei das Antriebsmittel in der Öffnung des angetriebenen Mittels zum drehenden Antreiben des angetriebenen Mittels angeordnet ist, gekennzeichnet durch Stützmittel (30; 130; 230; 330; 430; 530) in der Öffnung, welche eine Relativbewegung zwischen dem Antriebsmittel und dem angetriebenen Mittel erlauben, wobei die Stützmittel eine Vielzahl von in der Öffnung zwischen dem Antriebsmittel und dem angetriebenen Mittel angeordneten, und relativ zu beiden (dem Antriebsmittel und dem angetriebenen Mittel) drehbaren Stützelementen aufweisen, wobei, wenn die Kurbelwelle rotiert, das Antriebsmittel mit dem angetriebenen Mittel über die Stützmittel zusammenwirkt und das Antriebsmittel und das angetriebene Mittel als eine Einheit rotieren, das angetriebene Mittel die erste Rolle bezüglich der zweiten Rolle antreibt und die Bewegung der Kurbelwelle eine zentrifugale Kraft bewirkt, die dazu neigt, das angetriebene Mittel und die erste Rolle relativ zu der Achse der Kurbelwelle radial auswärts zu bewegen, so daß die erste Rolle mit der zweiten Rolle zusammenwirkt, um Gas zu komprimieren, was dazu führt, daß Gaskräfte auf die erste und die zweite Rolle mit den Stützmitteln einwirken, was eine wesentliche Reduktion des Widerstandes bezüglich der Relativbewegung zwischen dem Antriebsmittel und dem angetriebenen Mittel bewirkt, um eine Bewegung der ersten Rolle in Kontakt mit der zweiten Rolle zu erleichtern, wenn die Zentrifugalkraft die Gaskräfte zuzüglich der Reibungskräfte zwischen dem angetriebenen Mittel und den Stützmitteln übersteigt, und eine Bewegung der ersten Rolle außer Kontakt mit der zweiten Rolle zu erleichtern, wenn die Gaskräfte die Zentrifugalkräfte zuzüglich der Reibungskräfte zwischen dem angetriebenen Mittel und den Stützmitteln übersteigt.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel Rollenelementstützen sind.

3. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das Antriebsmittel (20-1; 420-1) oder die Stützmittel (30; 430) eine in axialer Richtung gekrümmte Oberfläche aufweist/aufweisen.

4. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in axialer Richtung gekrümmte Oberfläche in eine korrespondierende Oberfläche des anderen Elements (entweder des Antriebsmittels oder der Stützmittel) eingreift/eingreifen.

5. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (B) der Kurbelwelle (20; 420) und die Achse (A) des Antriebsmittels (20-1; 420-1) eine Ebene definieren und daß entweder das Antriebsmittel (20-1; 420-1) oder die Stützmittel (30; 430) eine in axialer Richtung gekrümmte Oberfläche aufweist/aufweisen und das andere Element (das Antriebsmittel oder die Stützmittel) eine flache, zu der Ebene parallele Oberfläche aufweist/aufweisen.

6. Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in axialer Richtung gekrümmte Oberfläche an der korrespondierenden Oberfläche an einem im wesentlichen konstanten axialen Punkt angreift, auch wenn das Antriebsmittel unter Last verformt wird.

7. Kompressor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen konstante axiale Punkt in einem Mittelpunkt des sich axial erstreckenden Antriebsmittels liegt.

8. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das angetriebene Mittel einen Gleitblock (24; 124; 224; 324; 424; 524) und eine umlaufende Rolle (16) beinhaltet.

9. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel (130) durch das Antriebsmittel (120-1) gestützt werden.

10. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel (30; 230; 330; 430; 530) durch das angetriebene Mittel (24; 224; 324; 424; 524) gestützt werden.