DE3614643C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter der Spiralbauart mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiger Kältemittelverdichter ist durch die DE 32 48 407 A1 bekannt. Dieser bekannte Kältemittelverdichter hat lediglich die eine, im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnte Einlaßöffnung, deren Querschnitt periodisch durch die Bewegung der Grundplatte des umlaufenden Spiralgliedes verändert wird.

Zunächst sei kurz das Prinzip eines solchen Verdichters beschrieben.

Fig. 3 zeigt wesentliche Bauteile eines Kältemittelverdichters der Spiralbauart, sowie verschiedene Betriebsstellungen. In Fig. 3 bezeichnen Bezugszahl 1 ein stationäres Spiralglied, Bezugszahl 2 ein ohne Eigenrotation umlaufendes Spiralglied, Bezugszahl 3 einen Einlaß, Bezugszahl 4 einen Auslaß, Bezugszahl 5 eine Kompressionskammer und Symbol O die Mitte des stationären Spiralgliedes 1.

Das stationäre Spiralglied 1 hat eine Spiralwand 1a, und das umlaufende Spiralglied 2 hat eine Spiralwand 2a. Die Form der Spiralwände 1a, 2a ist identisch, jedoch ist deren Windungsrichtung entgegengesetzt. Die Spiralwände 1a, 2a sind von Evolventenkurven oder Kombinationen von Kreisbögen gebildet, wie bekannt.

Die Wirkungsweise der Bauteile der Maschine sei nun beschrieben. Das stationäre Spiralglied 1 ist im Raum festgehalten, und das umlaufende Spiralglied 2 ist zum stationären Spiralglied mit 180° Phasenverschiebung angeordnet, so daß das umlaufende Spiralglied in eine rotationsfreie Umlaufbewegung um die Mitte O des stationären Spiralgliedes 1 versetzt wird. Die Fig. 3a bis 3d zeigen verschiedene Stellungen des stationären und des umlaufenden Spiralgliedes in einer Winkellage von 0°, 90°, 180° und 270°. In der 0°-Winkellage gemäß Fig. 3a wird Gas im Einlaß 3 eingeschlossen, so daß zwischen den Spiralwänden 1a, 2a eine Kompressionskammer 5 gebildet wird. Wenn sich das umlaufende Spiralglied 2 weiterbewegt, wird das Volumen der Kompressionskammer 5 kontinuierlich verringert, das Gas verdichtet und darauf das verdichtete Gas über die Auslaßöffnung 4 im mittleren Abschnitt des stationären Spiralgliedes 1 abgeführt.

Um eine Leistungseinbuße zu vermeiden, ist es erforderlich, den Druckverlust im Einlaß am äußeren Umfangsteil des stationären Spiralgliedes zu minimieren. Ein Eindringen des Kältemittels in das Gehäuse ist dabei unvermeidlich. Wird der Kältemittelverdichter in Gegenwart von Kältemittel im Gehäuse eingeschaltet, so ist ein abnormer Anstieg des Auslaßdruckes die Folge, was zu einem Bruch des Kompressors oder zur Auslösung einer Sicherheitsvorrichtung, eines Druckschalters oder dgl. führt, um den Rohrleitungskreis des Kompressors zu schützen. Zu diesem Zweck ist es ferner erforderlich, den Druckverlust im Einlaß zu erhöhen. Die oben beschriebenen Anforderungen widersprechen einander, so daß nur einer von beiden auf Kosten der anderen genügt werden kann. Wird der Druckverlust im Einlaß größer gemacht, dann wird der Druck zwischen den Spiralwänden kleiner als der Innendruck im Gehäuse, und zwar um ein dem Druckverlust entsprechendes Maß mit der Folge, daß das Schmieröl, welches die Lager geschmiert hat, im wesentlichen unter dem Innendruck des Gehäuses steht und nach Strömen in die Aussparung des Lagerrahmens leicht in die Kompressionskammer gelangen kann, wodurch der Ölspiegel angehoben werden wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kältemittelverdichter der gattungsgemäßen Bauart zu schaffen, bei dem eine Drosselung des Einlasses ohne merkliche Leistungsminderung erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel und am Stand der Technik mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausführung eines Kältemittelverdichters der Spiralbauart gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt und einen Teil-Axialschnitt, anhand derer das Prinzip der Erfindung erläutert ist;

Fig. 3 Querschnittdarstellungen, in welchen das Prinzip eines Kältemittelverdichters der Spiralbauart erläutert ist.

In Fig. 1 bezeichnen Bezugszahl 1 ein stationäres Spiralglied, bei welchem auf einer Seite einer Grundplatte 1b eine Spiralwand 1a ausgebildet ist, Bezugszahl 2 ein ohne Eigenrotation umlaufendes Spiralglied, bei welchem auf einer Seite einer Grundplatte 2b eine Spiralwand 2a ausgebildet ist, Bezugszahl 3 eine Einlaßöffnung, Bezugszahl 4 eine Auslaßöffnung, Bezugszahl 5 eine zwischen den Spiralwänden 1a, 2a ausgebildete Kompressionskammer, Bezugszahl 6 eine Hauptwelle, Bezugszahl 7 eine mit einer Saugöffnung 8 versehene, auf das untere Ende der Hauptwelle aufgesetzte Ölkappe, welche das untere Ende mit einem vorbestimmten Abstand abdeckt, und Bezugszahl 9, 10 Lagerrahmen. Der Lagerrahmen 9 ist mit einer Aussparung 11 versehen, in welchem das umlaufende Spiralglied 2 oszillierbar aufgenommen ist. Eine Oldham-Kupplung 12 bekannter Bauart sorgt dafür, daß das umlaufende Spiralglied 2 mit dem Lagerrahmen 9 eine Umlaufbewegung ohne Eigenrotation macht. Die Oldham-Kupplung 12 ist so gestaltet, daß nach ihrer Montage in einem Raum zwischen der Grundplatte 2b des umlaufenden Spiralgliedes 2 und des Lagerrahmens 9 Luftspalte an Kontaktflächen zwischen der Grundplatte 2b und der Oldham-Kupplung 12 sowie zwischen dem Lagerrahmen 9 und der Oldham-Kupplung 12 minimiert sind, wodurch ein erster Raum 17, der an der inneren Umfangsseite der Oldham-Kupplung ausgebildet ist, von einem zweiten Raum 18 isoliert ist, der an der äußeren Umfangsseite ausgebildet ist. Ein Ölrücklaufkanal 19 ist im Lagerrahmen 9 an einer Stelle radial innerhalb des Durchmessers der Oldham-Kupplung 12 ausgebildet. Bezugszahl 20 bezeichnet den Rotor eines Motors, Bezugszahl 22 ein Gehäuse, Bezugszahl 23 ein Ölreservoir am Boden des Gehäuses 22, Bezugszahl 24 ein Einlaßrohr, Bezugszahl 25 ein Auslaßrohr und Bezugszahl 26 ein Lager für das umlaufende Spiralglied, welches exzentrisch zur axialen Mitte der Hauptwelle 6 in einer exzentrischen Bohrung 27 angeordnet ist, das in einem Abschnitt 6a großen Durchmessers der Hauptwelle 6 ausgebildet ist. Ein von der Unterseite der Grundplatte 2b des umlaufenden Spiralgliedes ausgehender Wellenzapfen 20 ist drehbar in dem Lager 26 unterstützt. Es bezeichnen ferner Bezugszahl 28 ein erstes Hauptlager zum Unterstützen des Abschnittes 6a großen Durchmessers der Hauptwelle 6, Bezugszahl 29 ein zweites Hauptlager zum Unterstützen eines Abschnittes 6b kleinen Durchmessers der Hauptwelle 6 und Bezugszahl 30 ein erstes Axiallager zum Unterstützen der Grundplatte 2b des umlaufenden Spiralgliedes. Das erste Axiallager 30 ist zwischen der Grundplatte 2b des umlaufenden Spiralgliedes 2 und dem Lagerrahmen 9 benachbart dem ersten Hauptlager 28 so angeordnet, daß ein Abschnitt nahe der Mitte der Grundplatte 2b unterstützt wird. Ein zweites Axiallager 31 ist zwischen der Unterseite des Abschnittes 6a großen Durchmessers der Hauptwelle 6 und der Oberseite des Lagerrahmens 10 angeordnet, um die Hauptwelle 6 axial zu unterstützen. Die Hauptwelle 6 enthält einen achsparallel und exzentrisch verlaufenden Ölzuführungskanal 32, so daß Öl über eine Öffnung 33 im unteren Ende der Hauptwelle 6 zu den Lagern 26, 29 gefördert wird. Bezugszahl 34 bezeichnet eine Entlüftungsbohrung in der Hauptwelle 6 und Bezugszahl 35 einen Ölrücklaufkanal im Lagerrahmen 10.

Das stationäre Spiralglied 1 ist mittels Bolzen am Lagerrahmen 9, 10 befestigt. Zum Verbinden des Motor-Rotors 20 mit der Hauptwelle 6 und des Motor-Stators 21 mit dem Lagerrahmen 10 sind geeignete Verbindungsmethoden wie eine Preßverbindung, eine Schrumpfverbindung, eine Schraubenverbindung oder dgl. angewendet. Die Ölkappe 7 kann mit der Hauptwelle 6 durch eine Preß- oder Schrumpfverbindung verbunden sein.

Die Querschnittsfläche der Einlaßöffnung im stationären Spiralglied ist kleiner als bei der konventionellen Maschine ausgebildet. Ein Drosselabschnitt kann im Durchlaß des Einlasses ausgebildet sein. Mehrere Einlaßlöcher 36 sind in der Seitenfläche 9a des Lagerrahmens 9 ausgebildet, um einen Niederdruckraum 17 im Gehäuse 22 mit dem zweiten Raum 18 im äußeren Umfangsabschnitt der Oldham-Kupplung zu verbinden.

Die Maschine der Spiralbauart wird für einen Fall beschrieben, in welchem die Maschine als Kältemittel-Kompressor zur Anwendung zum Kühlen oder Klimatisieren eingesetzt ist.

Im Betrieb initiiert eine Rotation des Motor-Rotors 20 die Umlaufbewegung des oszillierbaren Spiralgliedes 2 mittels der Hauptwelle 6, wodurch das Kältemittel durch den ersten, mit der Einlaßöffnung 3 kommunizierenden Kanal (mit durchgezogenen Pfeilen angedeutet) und durch den mit den Einlaßlöchern 36 kommunizierenden zweiten Kanal (mit unterbrochenen Pfeilen angedeutet) in die Kompressionskammer 5 eingesaugt wird. In der Kompressionskammer 5 wird das Volumen des Kältemittelgases kontinuierlich verringert und schließlich über den Auslaß 4 abgegeben. Demgemäß wird selbst dann, wenn eine große Menge Kältemittelgas in das Gehäuse eintritt, ein sinusförmiger Drosseleffekt im zweiten Kanal zum Startzeitpunkt der Maschine erhalten, wodurch plötzliche Zufuhr einer großen Kältemittelmenge in die Kompressionskammer vermieden und ein stabiler Startbetrieb erhalten wird.

Das durch die Ölkappe 7 angesaugte Schmieröl wird zu den Lagern zu deren Schmierung gefördert und in den ersten Raum 17 abgelassen, der innerhalb der Oldham-Kupplung 12 ausgebildet ist. Der zweite, auf der Außenseite der Oldham-Kupplung 12 ausgebildete Raum 18, welcher mit der Einlaßöffnung 3 in Verbindung steht, steht aufgrund der weiteren Einlaßlöcher 36 unter gleichem Druck wie der Niederdruckraum. Demgemäß gibt es zwischen diesen Räumen keinen wesentlichen Druckunterschied, und das im ersten Raum 17 sich sammelnde Schmieröl wird über die Ölrücklaufbohrung 19 zum Ölreservoir 23 zurückgeführt, und zwar ohne Lecken in den zweiten Raum 18.

Die oben beschriebenen Wirkungen seien anhand der Fig. 2 erläutert.

Fig. 2a zeigt das stationäre Spiralglied von seiner Oberseite her gesehen, wobei der schraffierte, mit durchgezogenen Linien begrenzte Teil das stationäre Spiralglied darstellt. Der Lagerrahmen 9 mit den weiteren Einlaßlöchern 36 in seiner Seitenwand ist gestrichelt gezeichnet, und Bezugszahlen 21b, 22b deuten einen Bereich an, innerhalb dessen sich die Grundplatte des oszillierbaren Spiralgliedes in Fig. 2a gesehen vertikal bewegen kann. Symbol O bezeichnet die Mitte des Lagerrahmens, Symbol O₁ bezeichnet die Mitte der Grundplatte 21b des umlaufenden Spiralgliedes, Symbol O₂ bezeichnet die Mitte der Grundplatte 22b, und Symbol e bezeichnet den Radius der exzentrischen Bewegung der Welle 20.

Fig. 2b ist ein Teilschnitt längs der Mittellinien der Einlässe 3a, 3b des stationären Spiralgliedes 1 gemäß Fig. 2a, wobei die gestrichelten Pfeile die Strömung angesaugten Gases in den Einlaß 3b des stationären Spiralgliedes und die durchgezogenen Pfeile die Strömung des angesaugten Gases durch ein Verbindungsloch 36 im Lagerrahmen 9 andeuten. Das Einlaßloch 36 bildet den zweiten Kanal, der von dem Niederdruckraum im Gehäuse ausgeht - einem Raum im äußeren Umfangsabschnitt der Oldham-Kupplung und der Einlaßöffnung 3. Der minimale Luftspalt h₀ im zweiten Kanal wird durch den ersten Einlaß 3a oder 3b im stationären Spiralglied, den Lagerrahmen 9 und die Grundplatte 2b des umlaufenden Spiralgliedes begrenzt.

Die Querschnittsfläche S des Kanals, in welchem der minimale Luftspalt h₀ ausgebildet ist, kann wie folgt ausgedrückt werden:

worin in W die Weite des im stationären Spiralglied ausgebildeten Einlasses, h₀ der minimale Luftspalt zwischen dem äußeren Umfang der Grundplatte des umlaufenden Spiralgliedes und dem inneren Umfang der Aussparung des Lagerrahmens, r₁ der Radius der Grundplatte des umlaufenden Spiralgliedes, r₂ der Radius der Aussparung des Lagerrahmens 9, e der Radius der oszillierenden Bewegung des umlaufenden Spiralgliedes, R (rad) der Lagewinkel zwischen dem umlaufenden Spiralglied und dessen Achse ist, wenn diese die Mitte des Einlasses bei R=0 passiert. Demgemäß nimmt die Fläche S ein Minimum bei R=0 und ein Maximum bei R=π an, was zu einer sinusförmigen Veränderung der Querschnittsfläche des Kanals führt. Demgemäß wird durch Ausbilden des zweiten Kanals, welcher den Druckverlust veranlaßt, bei sinusförmiger Veränderung bezüglich des ersten Kanals im stationären Spiralgehäuse erreicht, daß die Drosselwirkung im ersten Kanal sanft wird. Ferner bewirkt die sinusförmige Veränderung des Druckverlustes spärliche und dichte Strömung des angesaugten Gases. Bei dichtem Strom ist es schwierig, ein Fluid zu transportieren; das bedeutet, daß keine große Kältemittelmenge in die Kompressionskammer eingeleitet werden kann.

Da der Niederdruckraum in Gehäuse mit dem Raum im äußeren Umfangsabschnitt der Oldham-Kupplung mittels der weiteren Einlaßlöcher 36 verbunden ist, kann die Druckdifferenz zwischen den durch die Oldham-Kupplung getrennten inneren und äußeren Räumen 17, 18 minimiert werden. Demgemäß kann der Druckunterschied nur die Differenz der Druckspitze sein, wodurch die aus dem Raum im inneren Umfangsabschnitt zum Raum im äußeren Umfangsabschnitt der Oldham-Kupplung austretende Leckölmenge minimiert werden kann.

Somit kann gemäß der Erfindung ein Lecken von Schmieröl in den Fluidkreislauf durch Vorsehen der weiteren Einlaßlöcher 36 in der Seitenwand 9a des Lagerrahmens 9 vermindert werden. Zusätzlich kann ein abnormer Druckanstieg im Gas zum Startzeitpunkt aufgrund von in die Kompressionskammer eintretendem Kältemittel dadurch eliminiert werden, daß ein Drosselabschnitt im Einlaß des stationären Spiralgliedes ausgebildet wird. Demgemäß ist einem Absinken der Leistung der Maschine vorgebeugt.

Ferner kann ein Kanal zum Speisen von Gas in die Kompressionskammer 5 zwischen den Spiralwänden 1a, 2a des stationären und des umlaufenden Spiralgliedes durch einen Einlaß im äußeren Umfangsabschnitt der Spiralwand des stationären Spiralgliedes, eine Aussparung 11 des Lagerrahmens, die Grundplatte 2b des umlaufenden Spiralgliedes 2 und die Unterseite des stationären Spiralgliedes 1 begrenzt werden, wobei das Verhältnis S₁/S₂ im Bereich 10S₁/S₂15 liegt, worin S₁ die minimale Querschnittsfläche des Einlasses und S₂ die minimale Querschnittsfläche des Kanals ist. Demgemäß können ein abnormer Druckanstieg im abgegebenen Gas zur Startzeit der Maschine und eine Leistungseinbuße vermieden werden.

Claims (2)

1. Kältemittelverdichter der Spiralbauart mit einem in einem oberen Abschnitt eines Gehäuses (22) angeordneten, stationären Spiralglied (1) und mit einem umlaufenden und durch eine Oldham-Kupplung (12) an einer Eigenrotation gehinderten Spiralglied (2), die je eine Spiralwand (1a, 2a) aufweisen, welche zum Bilden einer Kompressionskammer (5) zwischen den beiden ineinandergreifenden Spiralwänden zusammenwirken;
einer mit einem Niederdruckraum im Gehäuse (22) verbundenen Einlaßöffnung (3) am Umfang der Spiralwand (1a) des stationären Spiralgliedes (1);
einer durch einen Motor (21) angetriebenen Welle (6) zum Antreiben des umlaufenden Spiralgliedes (2) über ein exzentrisches Lager (26) und einen Wellenzapfen (20);
einem Axiallager (30) zum Unterstützen der Unterseite einer Grundplatte (2b) des umlaufenden Spiralgliedes (2); einem Lagerrahmen (9, 10) mit einem Hauptlager (28) für die Welle (6);
wobei in einem unteren Abschnitt des Gehäuses (22) ein Ölreservoir (23) für Schmieröl enthalten ist, in welches das untere Ende (6b) der Hauptwelle eintaucht; einem Ölzuführungskanal (32) in der Welle (6); einem Ölrücklaufkanal (35) im Lagerrahmen (9, 10) innerhalb der Oldham-Kupplung, durch den das Schmieröl nach dem Passieren des Axiallagers zum Ölreservoir zurückgefördert wird, wobei die Oldham-Kupplung (12) den Ölrücklaufkanal (35) vom Einlaß (3) in der Kompressionskammer (5) isoliert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres Einlaßloch (36) am Umfang des Lagerrahmens (9, 10) angeordnet ist, um den Niederdruckraum im Gehäuse (22) mit einem über einen Strömungskanal mit der Einlaßöffnung (3) in Verbindung stehenden Raum (18) zu verbinden, welcher durch eine Aussparung (11) im Lagerrahmen, die Oldham-Kupplung (12), die Grundplatte (2b) des umlaufenden Spiralgliedes (2) und die Unterseite des stationären Spiralgliedes (1) gebildet ist, wobei der Querschnitt des Strömungskanals bei jeder Umdrehung der Welle (6) zwischen einem Mindestwert und einem Größtwert verändert wird.

2. Kältemittelverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis S₁/S₂ zwischen einem Mindestquerschnitt (S₁) der Einlaßöffnung (3) und dem Mindestwert (S₂) des Querschnitts des Strömungskanals im Bereich 10S₁/S₂15 liegt.