PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10103775B4 14.07.2005
Titel Verfahren und Spiralverdichter zur Verdichtung eines kompressiblen Mediums
Anmelder Danfoss A/S, Nordborg, DK
Erfinder Süss, Jürgen, Augustenborg, DK;
Paramonov, Leonid, Odense, DK
Vertreter U. Knoblauch und Kollegen, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 27.01.2001
DE-Aktenzeichen 10103775
Offenlegungstag 14.08.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.07.2005
IPC-Hauptklasse F04C 18/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spiralverdichter mit mindestens zwei relativ zueinander mit einer orbitierenden Bewegung geführten Verdrängungselementen, die jeweils mindestens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende Begrenzungsfläche aufweisen, wobei die Verdrängungselemente mindestens eine Kammer ausbilden, die im Verlauf der orbitierenden Bewegung über einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase ein veränderbares Volumen aufweist, wobei die Kammer während der Ansaugphase einen Ansaugraum mit mindestens einer Ansaugöffnung aufweist und mindestens eines der Verdrängungselemente einen Profilrücken aufweist, in dessen Bereich die Profilstärke des Verdrängungselementes unabhängig von der Spiralform des Verdrängungselementes aufgeweitet ist und der in den Ansaugraum hineinragt.

Ein derartiger Verdichter ist aus US 5318 424 A bekannt. Der dort dargestellte Profilrücken soll dazu dienen, das Volumenverhältnis von zwei Kompressionskammern relativ zueinander festzulegen. Die Verdrängungselemente weisen eine Länge von etwa 3 &pgr; im Bogenmaß auf.

US 4 781 549 zeigt einen Spiralverdichter mit zwei orbitierenden Verdrängungselementen, die im Querschnitt jeweils sowohl innenseitig als auch außenseitig durch jeweils eine spiralförmige Begrenzungsfläche begrenzt werden. Beide Verdrängungselemente weisen eine Länge von etwa 2&pgr; im Bogenmaß auf. Außerdem nehmen beide Verdrängungselemente in einem inneren Profilendbereich kontinuierlich an Profilstärke zu. Die Verdrängungselemente bilden gemeinsam mindestens zwei Kammern. Jede Kammer durchläuft einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase. Dabei weist die Kammer während der Ansaugphase eine Ansaugöffnung auf, die am Ende der Ansaugphase wieder geschlossen wird. Hierauf folgt die Kompressionsphase der Kammer. Kurz nach Beginn dieser Kompressionsphase werden die Kammern zu einer Kammer verbunden. Die Umlauflänge für einen vollständigen Zyklus einer Kammer beträgt etwa 4&pgr; im Bogenmaß.

In US 4 527 964 ist ein Spiralverdichter gezeigt, bei dem ein Verdrängungselement über eine Länge von etwa 3&pgr; im Bogenmaß spiralähnlich verläuft und relativ zu einem zweiten Verdrängungselement orbitiert wird. Beide Verdrängungselemente weisen Begrenzungsflächen auf, die von einer regelmäßigen Spiralform abweichen. Dabei weist das bewegte Verdrängungselement einen langen äußeren Abschnitt mit geringer Krümmung auf. Aufgrund der Geometrie der Verdrängungselemente wird am Ende einer Ansaugphase bei diesem Spiralverdichter eine relativ große Rückströmung zur Saugseite hin erzeugt.

In US 6 099 279 A ist ein Spiralverdichter gezeigt, dessen Verdrängungselemente mehrere spiralähnliche Begrenzungsflächen aufweisen. Auch diese verursachen am Ende einer Ansaugphase aufgrund Ihrer Geometrie eine relativ große Rückströmung.

In EP 0 069 531 B1 ist ein Spiralverdichter mit zwei Verdrängungselementen gezeigt, die eine Länge von weniger als 3&pgr; im Bogenmaß aufweisen. Auch diese Verdrängungselemente verursachen durch einen jeweils langen schwach gekrümmten äußeren Abschnitt eine relativ große Rückströmung.

Auch in DE 196 03 110 A1 ist ein Spiralverdichter gezeigt, dessen Verdrängungselemente relativ lange, schwach gekrümmte äußere Abschnitte aufweisen.

Ferner sind beispielsweise aus US 5 938 417 A, US 5 547 353 A; US 5 836 752 A, US 3 884 599, DE 42 15 038 A1 sowie aus dem Artikel "Der Scroll von Bock" (H. Kaiser, Die Kälte und Klimatechnik, Heft 6/1993, Seiten 334 bis 342) Spiralverdichter bekannt, die durchweg Verdrängungselemente mit einer Länge von etwa 3&pgr; im Bogenmaß aufweisen. Außerdem weisen die Verdrängungselemente relativ schwach gekrümmte und regelmäßige äußere Abschnitte auf.

DE 296 03 280 U1 zeigt einen Spiralverdichter zur Aufladung von Verbrennungsmotoren. Dieser weist ein Gehäuse auf, in dem ein Verdrängungselement orbitiert wird. Die Flächen des Gehäuses und die Flächen des Verdrängungselementes, die dabei zusammen wirken, setzen sich aus planen Flächen und aus Viertelkreisbogenflächen zusammen.

Der Verlauf der spiralförmigen Begrenzungsflächen der Verdrängungselemente eines derartigen Spiralverdichters basiert weitgehend auf fertigungstechnischen Gesichtspunkten. Aufgrund der Geometrie der spiralförmigen Begrenzungsflächen wird jedoch am Ende einer Ansaugphase eine relativ große Rückströmung aus der Kammer durch die Ansaugöffnung erzeugt. Hierdurch verliert der Spiralverdichter an Kapazität und Effizienz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei der Verdichtung eines kompressiblen Mediums die thermodynamischen Verhältnisse zu verbessern.

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kammervolumen während der Ansaugphase mit Hilfe des Profilrückens an eine vorbestimmte Volumenfunktion angepaßt ist, bei der das Kammervolumen beim Schließen der Ansaugöffnung mindestens 90% eines während der Ansaugphase auftretenden maximalen Volumens aufweist, daß der Profilrücken an einen äußeren Profilendbereich anlegbar ist, der an die Form des Profilrückens angepaßt ist, und daß der äußere Profilendbereich drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äußeren Ende her kommend ein zweiter Abschnitt eine stärkere Krümmung aufweist als ein erster Abschnitt und ein dritter Abschnitt.

Der Profilrücken bildet also ein Volumenbegrenzungselement. Hierdurch weist jedes Verdrängungselement einen Abschnitt auf, der unabhängig von einer Spiralform ausgebildet ist. Mit Hilfe dieses Abschnitts kann das Volumen der Kammer an eine vorbestimmte proezßbedingt gewünschte Volumenfunktion angepaßt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein günstiges Volumenverhältnis des maximalen Kammervolumens zum Kammervolumen am Ende der Ansaugphase geschaffen werden. Hieraus resultiert wiederum eine geringere Rückströmung beim Schließen der Ansaugöffnung. Auf diese Weise kann eine höhere Kapazität und Effizienz des Spiralverdichters erreicht werden. Durch das Zusammenwirken des Profilrückens mit einem an ihn angepaßten Gegenstück während einer Anlagephase wird für einen stabilen Kontakt zwischen beiden betroffenen Verdrängungelementen gesorgt. Außerdem können hierdurch innerhalb der Kammer gleichmäßige Strömungsverhältnisse gewährleistet werden. Wenn der äußere Profilendbereich drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äußeren Ende her kommend ein zweiter Abschnitt eine stärkere Krümmung aufweist als ein erster und ein dritter Abschnitt, dann sorgt der schwach gekrümmte äußere Abschnitt für ein Schließen der Ansaugöffnung in der Nähe des maximalen Kammervolumens. Durch den zwischen zwei schwach gekrümmten Abschnitten liegenden stärker gekrümmten Abschnitt wird außerdem der Rückfluß vermindert. Somit erreicht man eine Verbesserung des Schließverhaltens der Ansaugöffnung.

Außerdem ist von Vorteil, daß der Profilrücken über einen vorbestimmten Umlaufweg zu Beginn der Kompressionsphase in die Kammer hineinragt. Auf diese Weise kann über die Ausbildung des Profilrückens auch auf den Ablauf der Kompressionsphase Einfluß genommen werden. Hierdurch kann in der Kompressionsphase eine vorbestimmte Veränderung des Kammervolumens eingestellt werden. Beispielsweise ist es hierbei möglich, zu Beginn der Kompressionsphase eine stärkere Volumenreduktion zu erzeugen als am Ende der Kompressionsphase. Die Kompressionsphase kann dadurch verkürzt werden, was zu verminderten Leckageverlusten zwischen den Verdrängungselementen führt.

Günstig ist, daß der vorbestimmte Umlaufweg ab Beginn der Kompressionsphase maximal 1 &pgr; im Bogenmaß beträgt. Auf diese Weise kann am Ende der Kompressionsphase eine geringere Volumenreduktion, sowie ein langsames Ausschieben des verdichteten Gases erzielt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß der erste und der zweite Abschnitt jeweils eine Länge von etwa &pgr;/3 im Bogenmaß aufweisen. Durch diese relativ kurzen äußeren Abschnitte wird der Kammerbereich, aus dem eine Rückströmung erfolgen kann, relativ klein gehalten. Hierdurch kann die Rückströmung vermindert werden.

Günstig ist, daß der Profilrücken an der äußeren Begrenzungsfläche eine stärkere Krümmung aufweist als an der inneren Begrenzungsfläche. Hierdurch ist es möglich, daß über einen Umlauf des Spiralverdichters ein Berührungspunkt an der äußeren Seite des Profilrückens sich auf einer anderen Bahn bewegt als ein Berührungspunkt an der inneren Seite des Profilrückens. Auf diese Weise ist eine bessere Anpassung verschiedener Kammern in unterschiedlichen Phasen an eine vorbestimmte Volumenfunktion möglich.

Von Vorteil ist, daß der Profilrücken eines der Verdrängungselemente über einen vorbestimmten Umlaufweg an der inneren Begrenzungsfläche einen Berührungspunkt mit einem inneren Ende des jeweils anderen Verdrängungselementes aufweist. Auf diese Weise wird die stabile Ausbildung einer Kammer im Inneren des Spiralverdichters ermöglicht.

Weiterhin ist günstig, daß mindestens eines der Verdrängungselemente im Querschnitt mindestens zwei Teilelemente aufweist, die relativ zueinander unbeweglich sind. Hierdurch ist es möglich die Anzahl der Kammern in einem Spiralverdichter zu erhöhen. Auf diese Weise können die Kompressionsabläufe in verschiedenen Stadien in dem Spiralverdichter parallel verlaufen. Dies führt zu einer höheren Laufruhe des Verdichters.

Weiterhin ist von Vorteil, daß mindestens zwei der Teilelemente miteinander verbunden sind. Hierdurch kann eine gute Abstimmung der Kompressionsabläufe in verschiedenen Kammern untereinander gewährleistet werden.

Durch das Volumenbegrenzungselement wird das Volumen der Kammer zusätzlich zu den spiralähnlichen Begrenzungsflächen der Verdrängungselemente beeinflußt. Somit wird beispielsweise die Anpassung des Kammervolumens an eine vorbestimmte Volumenfunktion ermöglicht. Das Kammervolumen kann über die Ansaugphase hinweg derart verändert werden, daß es beim Schließen der Ansaugöffnung annähernd sein maximales Volumen aufweist. Auf diese Weise erhält man ein günstiges Volumenverhältnis zwischen dem maximalen Kammervolumen und dem Kammervolumen zum Zeitpunkt des Schließens der Ansaugöffnung. Dieses hat zur Folge, daß am Ende der Ansaugphase lediglich eine geringe Rückströmung aus der Kammer erfolgt. Hieraus resultieren gute thermodynamische Verhältnisse und somit eine hohe Kapazität bezogen auf die Baugröße und eine hohe Effizienz des Verdichters, d.h. bei gegebener Baugröße ergibt sich ein relativ großes Saugvolumen und somit ein großer Massenstrom durch den Verdichter.

Man kann das Volumen der Kammer über einen vorbestimmten Umlaufweg vom Beginn der Kompressionsphase ab durch das Volumenbegrenzungselement reduzieren. Hierdurch ist das Kammervolumen während der Kompressionsphase steuerbar. Dabei kann das Kammervolumen über den Umlaufweg an eine Volumenfunktion angepaßt werden, die für den vorgesehenen Betrieb besonders geeignet ist. Beispielsweise wird hierdurch zu Beginn der Kompressionsphase eine stärkere Reduzierung des Volumens (relative Kompression) als am Ende der Kompressionsphase ermöglicht.

Wenn die Reduzierung des Volumens der Kammer durch das Volumenbegrenzungselement ab Beginn der Kompressionsphase spätestens nach einem vorbestimmten Umlaufweg von 1p im Bogenmaß beendet wird, kann am Ende der Kompressionsphase eine geringere Reduzierung des Volumens, somit ein langsames Ausschieben erreicht werden. Das langsame Ausschieben des Gases vermeidet Druckspitzen auf der Druckseite.

Wenn die Ansaugöffnung vor dem Ende einer Ausschubphase geschlossen wird, wird verhindert, daß am Ende einer Ansaugphase auftretende Beeinträchtigungen der Strömungsverhältnisse in einer der Kammern einen schädlichen Einfluß auf eine andere Kammer ausüben. Insbesondere wird eine Verringerung der eingesaugten Gasmenge durch Reexpansion von verdichtetem Gas verhindert, die auftreten würde, wenn die Ansaugöffnung erst nach dem Ende der Ausschubphase geschlossen würde. Es ist also günstig, wenn die Verdrängungselemente in der Mitte nicht auseinander gehen, bevor die Saugöffnung außen wieder geschlossen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

1 einen Querschnitt der Verdrängungselemente eines Spiralverdichters mit zwei Verdrängungselementen,

2a bis 2f Querschnitte der Verdrängungselemente aus 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Teils eines Zyklus,

3 ein Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissen der Kammern nach den 2a bis 2f über einen Zyklus,

4 ein vergrößerter Ausschnitt des Diagramms nach 3 am Ende einer Ausschubphase,

5a bis 5f Querschnitte der Verdrängungselemente eines Spiralverdichters mit vier Teilelementen zu verschiedenen Zeitpunkten eines Teil eines Zyklus,

6 ein Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissen der Kammern nach 5a bis 5f über einen Zyklus,

7a bis 7f Querschnitte der Verdrängungselemente eines Spiralverdichters mit sechs Teilelementen zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Teil eines Zyklus und

8 ein Diagramm zur Darstellung von Volumenverhältnissesn der Kammern nach den 7a bis 7f über einen Zyklus.

1 zeigt zwei Verdrängungselemente 1, 2 eines Spiralverdichters. Beide Verdrängungselemente 1, 2 sind nach innen durch eine innere Begrenzungsfläche 3, 5 und nach außen durch eine äußere Begrenzungsfläche 4, 6 begrenzt. Sowohl die inneren Begrenzungsflächen 3, 5 als auch die äußeren Begrenzungsflächen 4, 6 weisen einen spiralähnlichen Querschnitt auf.

Mit "spiralähnlich" wird hierbei eine ebene Kurve bezeichnet, deren Abstand von einem Mittelpunkt sich von einem äußeren Ende 9, 10 hin zu einem inneren Ende 11, 12 vermindert. Hierbei nimmt die Krümmung der Kurve von außen nach innen insgesamt zu. Eine abschnittsweise gleichbleibende oder größer werdende Krümmung ist aber möglich.

Die Länge beider Verdrängungselemente 1, 2 beträgt jeweils etwas mehr als 2&pgr; jedoch nicht mehr als 3&pgr; im Bogenmaß.

Vom äußeren Ende 9, 10 her kommend weisen beide Verdrängungselemente 1, 2 über einen vorbestimmten Profilendbereich 20, 21 eine etwa gleichbleibende Profilstärke auf. Anschließend nimmt die Profilstärke beider Verdrängungselemente 1, 2 im Bereich eines Profilrückens 13, 14 bis zu einem Rückenscheitel 15, 16 zu und anschließend wieder ab. In Richtung des inneren Endes 11, 12 beider Verdrängungselemente 1, 2 schließt sich an den Bereich des Profilrückens 13, 14 ein innerer Profilendbereich 17, 18 an. In diesen inneren Profilendbereichen 17, 18 nimmt die Profilstärke der Verdrängungselemente 1, 2 zunächst noch einmal zu und zum inneren Ende 11, 12 hin wieder ab.

Der Begriff "Profilrücken" 13, 14 umfaßt hierbei einen Profilabschnitt des jeweiligen Verdrängungselementes 1, 2 zwischen der inneren Begrenzungsfläche 3, 5 und der äußeren Begrenzungsfläche 4, 6. Somit umfaßt der Begriff "Profilrücken" auch eine Ausbauchung. Die Funktion der beiden Verdrängungselemente 1, 2 über einen vollständigen Zyklus hinweg werden anhand der 2a bis 2f beschrieben.

Das Verdrängungselement 2 weist innerhalb seines inneren Profilendbereichs 18 eine Ausströmkammer 19 auf. Diese ist mit einer nicht dargestellten Ausströmöffnung verbunden, die von der inneren Begrenzungsfläche 5 des Verdrängungselements 2 bis zur Ausströmkammer 19 reicht. Außerdem weist die Ausströmkammer 19 eine Verbindung zu einem Ausströmpfad des Spiralverdichters auf. In nicht dargestellter Weise kann der Ausschub des Gases auch in axialer Richtung erfolgen, beispielsweise durch ein Loch in der Bodenplatte.

Ferner ist an der Ausströmöffnung ein ebenfalls nicht dargestelltes druckgesteuertes Ausströmventil angebracht. Über dieses Ausströmventil ist die Ausströmöffnung unterhalb eines vorbestimmten Öffnungsdruckes verschlossen.

In Richtung ihrer äußeren Enden 9, 10 weisen beide Verdrängungselemente 1, 2 jeweils den äußeren Profilendbereich 20, 21 auf. Vom äußeren Ende 9, 10 der Verdrängungselemente 1, 2 her kommend weisen beide äußeren Profilendbereiche 20, 21 einen ersten Abschnitt 22, 23, einen zweiten Abschnitt 24, 25 und einen dritten Abschnitt 26, 27 auf. Dabei ist der jeweils zweite Abschnitt 24, 25 stärker gekrümmt als der jeweils erste Abschnitt 22, 23, und der jeweils dritte Abschnitt 26, 27. Die Abschnitte 22, 23, 24, 25 weisen eine Länge von etwa &pgr;/3 im Bogenmaß auf, die Abschnitte 26, 27 eine Länge größer &pgr;/3, z.B. ½ bis ¾ &pgr;.

Beide Verdrängungselemente 1, 2 liegen in zwei Berührungspunkten 28, 29 sowie in einer Berührungslinie 30 aneinander an. Die Bezeichnungen "Berührungspunkte" und "Berührungslinie" beziehen sich hierbei auf die Darstellung im Querschnitt. Tatsächlich umfassen die Berührungspunkte 28, 29 einen in etwa linienförmigen Berührungsbereich und die Berührungslinie 30 eine Berührungsfläche.

2 zeigt die Verdrängungselemente 1, 2 in verschiedenen Positionen, die sie im Verlauf eines Teils (etwa der Hälfte) eines Zyklus einnehmen. Erläutert wird dabei die Kompressions- und Ausschubphase. Gleichzeitig erfolgt die Ansaugphase des nächsten Zyklus, so daß aus 2 im Grunde ein vollständiger Zyklus zu erkennen ist.

Zu einem Ausgangszeitpunkt weisen die beiden Verdrängungselemente 1, 2 die in 2a dargestellte Anordnung zueinander auf. Hierbei wird darauf hingewiesen, daß jede der in den 2a bis 2f gezeigten Anordnungen der Verdrängungselemente 1, 2 zueinander in aufeinanderfolgenden Zyklen immer wieder durchlaufen wird. Es könnte auch jede andere der in den 2a bis 2f dargestellten Anordnungen als Anordnung im Ausgangszeitpunkt verwendet werden.

In 2a bilden die beiden Verdrängungselemente 1, 2 des Spiralverdichters zwei Kammern 7, 8 aus. Diese sind durch jeweils einen der Berührungspunkte 28, 29 nach außen hin geschlossen. Die inneren Profilendbereiche 17, 18 beider Verdrängungselmente 1, 2 liegen in der Berührungslinie 30 aneinander an. Hierbei wird die nicht dargestellte Ausströmöffnung zu der Ausströmkammer 19 durch den inneren Profilendbereich 17 des Verdrängungselements 1 verschlossen. Außerdem sind gestrichelte Hilfslinien 31, 32 eingezeichnet. Diese geben über den Bereich des jeweiligen Profilrückens 13, 14 den gedachten Verlauf der äußeren Begrenzungsfläche 4, 6 bei gleichbleibender Profilstärke beider Verdrängungselemente 1, 2 wieder. Bezogen auf die jeweilige Hilfslinie 31, 32 ragt der Profilrücken 13 deutlich in die Kammer 7 und der Profilrücken 14 deutlich in die Kammer 8 hinein.

In 2b ist die Anordnung beider Verdrängungselemente 1, 2 zueinander nach einer gewissen orbitierenden Bewegung gegenüber 2a wiedergegeben. Im vorliegenden Fall ist das Verdrängungselement 2 fest gelagert, während das Verdrängungselement 1 auf einer Umlaufbahn orbitierend bewegbar gelagert ist. Neben dieser Konstellation ist auch ein bewegliches Verdrängungselement 2 und ein festgelagertes Verdrängungselement 1 möglich. Ferner können auch beide Verdrängungselemente 1, 2 beweglich gelagert sein.

In 2b weisen die beiden Verdrängungselemente 1, 2 keine Berührungslinie 30 mehr auf. Vielmehr sind beide Kammern 7, 8 in diesem Zeitpunkt zu einer Kammer 33 verbunden. Außerdem ist die nicht dargestellte Ausströmöffnung im inneren Profilendbereich 18 des Verdrängungselements 2 nicht mehr durch den inneren Profilendbereich 17 des Verdrängungselements 1 verschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ausströmöffnung noch durch das ebenfalls nicht dargestellte druckgesteuerte Auslaßventil verschlossen. Daher weist die Kammer 33 noch keine Verbindung über die Ausströmöffnung mit der Ausströmkammer 19 auf.

Ferner sind die Berührungspunkte 28, 29 gegenüber ihrer Position in 2a von dem jeweiligen äußeren Ende 9, 10 weg weiter nach innen gewandert. Hierbei sind die Berührungspunkte 28, 29 auf der inneren Begrenzungsfläche 3, 5 in einem Übergangsbereich vom ersten Abschnitt 22, 23 zum zweiten Abschnitt 24, 25 und auf der jeweiligen äußeren Begrenzungsfläche 4, 6 ausgebildet. Am äußeren Ende 9, 10 beider Verdrängungselemente 1, 2 wird hierbei jeweils ein neuer Ansaugraum 34, 35 mit einer Ansaugöffnung 36, 37 ausgebildet. Somit werden durch die Ansaugräume 34, 35 zwei neue Kammern 7, 8 des nächsten Ansaugzyklus gebildet, die sich in einer Ansaugphase befinden. Gleichzeitig befindet sich die Kammer 33 in einer Kompressionsphase.

In 2c ist die Anordnung der Verdrängungselemente 1, 2 nach einer weiteren Relativbewegung zueinander dargestellt. Die Ansaugräume 34, 35 der Kammern 7, 8 weisen gegenüber 2b nun ein größeres Volumen auf. Das Volumen der Kammer 33 ist dagegen gegenüber dem in 2b dargestellten Zeitpunkt geringer. Bezogen auf die Hilfslinien 31, 32 ragen die Profilrücken 13, 14 nun deutlich in den jeweiligen Ansaugraum 34, 35 der Kammern 7, 8 in der Ansaugphase. Die Berührungspunkte 28, 29 sind wiederum weiter vom jeweiligen äußeren Ende 9, 10 weg nach innen gewandert.

In den 2d bis 2f nimmt das Volumen der Kammer 33 immer stärker ab. Hierdurch wird ein in der Kammer 33 enthaltene kompressible Medium immer weiter verdichtet. Sobald der Druck in der Kammer 33 einen vorbestimmten Öffnungsdruck erreicht, öffnet das Ausströmventil an der Ausströmöffnung. Hierdurch kann das kompressible Medium aus der Kammer 33 über die Ausströmöffnung in die Ausströmkammer 19 und weiter in den Ausströmpfad des Spiralverdichters strömen. Dagegen nimmt das Volumen der Kammern 7, 8 in der Ansaugphase über die in den 2d bis 2f dargestellten Zeitpunkten weiter zu. Hierbei wird das kompressible Medium ständig von außen in die Ansaugräume 34, 35 gesaugt. Am Ende der Ansaugphase werden die Ansaugöffnungen 36, 37 der Ansaugräume 34, 35 wieder geschlossen. Hierbei werden die äußeren Enden 9, 10 wie in 2a dargestellt wieder an die jeweilige äußere Begrenzungsfläche 4, 6 des jeweiligen anderen Verdrängungselements 1, 2 angelegt. In diesem Zeitpunkt ist die Ansaugphase der Kammern 7, 8 abgeschlossen.

In 3 ist der Verlauf der Volumenverhältnisse (Volumenfunktion) der in den 2a bis 2f dargestellten Kammern gezeigt. Das Volumenverhältnis ist hierbei aus einem Quotienten des augenblicklichen Volumens einer Kammer zum maximalen Volumen der Kammer gebildet. Die hier dargestellten Kurven entsprechen einem als günstig angesehenen Verlauf des Volumenverhältnisses der Kammern über einen Zyklus. Anhand dieser Volumenfunktionen wurden die Profilstärken der beiden Verdrängungselemente 1, 2 über ihre Länge hinweg festgelegt. Insbesondere wurden die Profilrücken 13, 14 in Abhängigkeit von diesen Volumenfunktionen ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich die Kammern des Spiralverdichters während der Kompressions- und der Ansaugphase an die jeweils gewünschte Volumenänderung anzupassen.

Aus der Volumenfunktion ist zu entnehmen, daß ein vollständiger Zyklus I, in dem eine Kammer eine Kompressions- und eine Ansaugphase durchläuft, eine Umlauf länge von etwa 4,1 &pgr; im Bogenmaß aufweist. Außerdem ist dem Diagramm in 3 zu entnehmen, daß eine Ausschubphase 40 des vorigen Zyklus II erst kurz nach dem Abschluß der parallelen Ansaugphase 38 des Zyklus I erfolgt. Auf diese Weise wird verhindert, daß mögliche Störungen beim Abschluß der Ausströmphase einer Kammer einen störenden Einfluß auf das Saug-Volumen der nachfolgenden Kammer hat.

Ferner ist eine Ausschubphase 40 dargestellt, in der das Auslaßventil geöffnet ist.

Die Länge der Ventilöffnungsphase 40 ist jeweils abhängig vom herrschenden Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Ausschubdruck.

Außerdem ist aus dem hier dargestellten Diagramm zu entnehmen, daß das Volumenverhältnis der Kammern 7, 8 beim Abschluß der Ansaugphase 38 bei der vorliegenden Ausführungsform einen Wert von etwa 0,93 aufweist. In jedem Fall sollte das Volumenverhältnis der Kammern 7, 8 in diesem Zeitpunkt nicht weniger als 0,9 betragen.

In 4 ist der Abschluß der Ausschubphase 39 des Zyklus II in einem vergrößerten Ausschnitt von 3 dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, daß der Abschluß der Ausschubphase 39 erst nach einer Umlaufbahnlänge von zwischen 2,1 und 2,2&pgr; im Bogenmaß erfolgt. Dagegen erfolgt der Start einer neuen Ansaugphase 41 eines neuen Zyklus III bereits nach einer Umlaufbahnlänge von genau 2&pgr;.

In den 5a bis 5f sind verschiedene Anordnungen der Verdrängungselemente 101, 102 eines Spiralverdichters mit zwei beweglichen Teilelementen 101a, 101b und zwei festen Teilelementen 102a, 102b des Verdrängungselements 102 dargestellt. Teile, die denen der 1 und 2 entsprechen, sind mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen. Die beiden festen Teilelemente 102a, 102b sind in einem Winkel von 180° zueinander gedreht und ineinander verwunden angeordnet. Die beweglichen Teilelemente 101a, 101b des Verdrängungselements 101 sind zwischen den beiden festen Teilelementen 102a, 102b angeordnet. Dabei sind die beweglichen Teilelemente 101a, 101b ebenfalls zueinander im Winkel von 180° gedreht. Im Gegensatz zu den festen Teilelementen 102a, 102b sind die beiden beweglichen Teilelemente 101a, 101b jedoch miteinander verbunden und bilden somit einen zusammenhängenden Körper. Dieser Körper weist über seine gesamte Länge eine etwa gleichbleibende Profilstärke auf. Dagegen ist bei den festen Teilelementen 102a, 102b entsprechend dem Verdrängungselement 2 nach 1 und 2a bis 2f jeweils ein Profilrücken 114a, 114b und ein innerer Profilendbereich 118a, 118b ausgebildet. Die festen Teilelemente 102a, 102b entsprechen auch sonst in Aufbau und Wirkungsweise dem Verdrängungselement 2 nach 1 und 2a bis 2f. Somit gelten die oben gemachten Ausführungen zu Verdrängungselement 2 auch hier.

In 6 sind die Volumenverhältnisse der Kammern entsprechend einer Ausführungsform nach den 5a bis 5f dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, daß eine Ausführungsform nach den 5a bis 5f während eines vollständigen Zyklus mit einer Umlaufbahnlänge von etwa 4&pgr; im Bogenmaß jeweils vier Kompressions- und Ansaugphasen aufweist. Im Gegensatz hierzu weist die Ausführungsform mit nur zwei Verdrängungselementen entsprechend der 1 über einen vollständigen Zyklus lediglich jeweils zwei Kompressions- und Ansaugphasen auf.

Wegen dieser höheren Zahl der Kompressionsprozesse wird die Kompression bei einer Ausführungsform nach den 5a bis 5f gleichmäßiger ablaufen. Es treten geringe Pulsationen sowohl auf der Ansaug- als auch auf der Ausschubseite auf, weshalb der Verdichter insgesamt ruhiger läuft. Auch ergibt sich bei dieser Ausführungsfrom ein verringerter orbitierender Radius der beweglichen Verdrängungselementes 101, was zu insgesamt geringeren Reibungsverlusten und erhöhter Stabilität der beweglichen Verdichterbauteile führt.

In den 7a bis 7f sind verschiedene Anordnungen der Verdrängungselemente 201, 202 eines Spiralverdichters mit drei beweglichen Teilelementen 201a, 201b, 201c und drei festen Teilelementen 202a, 202b, 202c dargestellt. Teile, die denen der 1 und 2 entsprechen, sind mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen. Bei dieser Ausführungsform sind die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c des Verdrängungselements 202 in einem Winkel von jeweils 120° zueinander gedreht und ineinander verwunden angeordnet. Die beweglichen Teilelemente 201a, 201b, 201c des Verdrängungselements 201 sind ebenfalls im Winkel von jeweils 120° zueinander gedreht und zu einem zusammenhängenden Körper verbunden. Dabei weisen die beweglichen Teilelemente 201a, 201b, 201c an ihrem jeweils äußeren Ende 209a, 209b, 209c einen Profilrücken 213a, 213b, 213c auf. An diesem Profilrücken 213a, 213b, 213c ist die Profilstärke gegenüber dem restlichen Teil des jeweiligen Teilelements 201a, 201b, 201c stark auf geweitet.

Die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c weisen entsprechend dem Verdrängungselement 1, 2 nach 1 und 2a bis 2f jeweils einen Profilrücken 214a, 214b, 214c und einen inneren Profilendbereich 218a, 218b, 218c auf. Die festen Teilelemente 202a, 202b, 202c entsprechen auch sonst in Aufbau und Wirkungsweise dem Verdrängungselement 2 nach 1 und 2a bis 2f. Somit gelten die oben gemachten Ausführungen zu Verdrängungselement 2 auch hier.

In 8 sind die Volumenverhältnisse der Kammern bei einer Ausführungsform nach den 7a bis 7f über einen Zyklus dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, daß während einem Zyklus mit einer Umlaufbahnlänge von etwa 4&pgr; im Bogenmaß jeweils sechs Ansaug- und Kompressionsphasen durchlaufen werden. Auf diese Weise läßt sich durch eine Ausführungsform nach den 7a bis 7f eine weitere Vergleichmäßigung bei der Kompression eines Mediums und eine erhöhte Laufruhe des Verdichters erzielen.


Anspruch[de]
  1. Spiralverdichter mit mindestens zwei relativ zueinander mit einer orbitierenden Bewegung geführten Verdrängungselementen, die jeweils mindestens eine im Querschnitt spiralähnlich verlaufende Begrenzungsfläche aufweisen, wobei die Verdrängungselemente mindestens eine Kammer ausbilden, die im Verlauf der orbitierenden Bewegung über einen Zyklus mit einer Ansaug-, einer Kompressions- und einer Ausschubphase ein veränderbares Volumen aufweist, wobei die Kammer während der Ansaugphase einen Ansaugraum mit mindestens einer Ansaugöffnung aufweist und mindestens eines der Verdrängungselemente einen Profilrücken aufweist, in dessen Bereich die Profilstärke des Verdrängungselementes unabhängig von der Spiralform des Verdrängungselementes aufgeweitet ist und der in den Ansaugraum hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammervolumen während der Ansaugphase mit Hilfe des Profilrückens (13, 14) an eine vorbestimmte Volumenfunktion angepaßt ist, bei der das Kammervolumen beim Schließen der Ansaugöffnung (36, 37) mindestens 90% eines während der Ansaugphase auftretenden maximalen Volumens aufweist, daß der Profilrücken (13, 14) an einen äußeren Profilendbereich (20, 21) des jeweils anderen Verdrängungselementes (2, 1) anlegbar ist, der an die Form des Profilrückens (13, 14) angepaßt ist, und daß der äußere Profilendbereich (20, 21) drei Abschnitte aufweist, von denen von einem äußeren Ende (9, 10) her kommend ein zweiter Abschnitt (24, 25) eine stärkere Krümmung aufweist als ein erster Abschnitt (22, 23) und ein dritter Abschnitt (26, 27).
  2. Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) über einen vorbestimmten Umlaufweg zu Beginn der Kompressionsphase in die Kammer (33) hineinragt.
  3. Spiralverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Umlaufweg ab Beginn der Kompressionsphase maximal 1&pgr; im Bogenmaß beträgt.
  4. Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (22, 23) und der zweite Abschnitt (24, 25) jeweils eine Länge von etwa &pgr;/3 im Bogenmaß aufweisen.
  5. Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) an seiner äußeren Begrenzungsfläche (4, 6) eine stärkere Krümmung aufweist als an seiner inneren Begrenzungsfläche (3, 5).
  6. Spiralverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilrücken (13, 14) eines der Verdrängungselemente (1, 2) über einen vorbestimmten Umlaufweg an seiner inneren Begrenzungsfläche (3, 5) einen Berührungspunkt mit einem inneren Ende (11, 12) des jeweils anderen Verdrängungselementes (2, 1) aufweist.
  7. Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Verdrängungselemente (101, 102, 201, 202) im Querschnitt mindestens zwei Teilelemente (101a, 101b, 102a, 102b; 201a, 201b, 201c, 202a, 202b, 202c) aufweist, die relativ zueinander unbeweglich sind.
  8. Spiralverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Teilelemente (101a, 101b, 102a, 102b; 201a, 201b, 201c, 202a, 202b, 202c) miteinander verbunden sind.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com