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Dokumentenidentifikation DE10031141B4 29.06.2006
Titel Spiralkörper
Anmelder Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH, 80809 München, DE
Erfinder Ehinger, Markus, 85716 Unterschleißheim, DE;
Holzapfel, Christian, 85101 Lenting, DE
DE-Anmeldedatum 27.06.2000
DE-Aktenzeichen 10031141
Offenlegungstag 17.01.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse F04C 18/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04C 29/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Spiralkörper für einen Spiralverdichter, insbesondere einen ölfreien Spiralverdichter, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Spiralverdichter, insbesondere ölfreie Spiralverdichter für den Einsatz zur Drucklufterzeugung in Schienenfahrzeugen, mit einseitiger Spiralanordnung sind beispielsweise aus den nachfolgend genannten Druckschriften bekannt:

  • 1. DE 195 28 071 A1
  • 2. DE 196 04 447 A1
  • 3. EP 882 893 A2

Bei diesen wird zwischen einer Bauweise mit einer feststehenden und einer orbitierenden Spirale oder zwei rotierenden Spiralen unterschieden. Dabei umfassen Spiralverdichter dieser Bauart wenigstens zwei, in einem Gehäuse angeordnete und ineinandergreifende Spiralen. Bei Ausführungen mit zwei rotierenden Spiralen laufen diese ineinander. Beim Ineinandergreifen bzw. Ineinanderlaufen der Spiralen ergeben sich Verdichtungsräume, welche durch die orbitierende Relativbewegung derart vom Außenbereich der Spiralen zum zentralen Bereich der Spiralen verändert werden, dass eine zunehmende Verdichtung des in den Verdichtungsräumen vorliegenden Mediums, insbesondere kompressiblen Fluids, insbesondere Luft auftritt. Das Medium, insbesondere Fluid bzw. die Luft, wird dabei durch einen stillstehenden Ansaugkanal an den äußeren Bereich der schnell drehenden Spiralen geführt und von dort in die Verdichtungsräume angesaugt. Die im Zuge der rotierenden Bewegung der Spiralen verdichtete und eine hohe Temperatur aufweisende Luft wird schließlich durch einen Austritt im Bereich des Zentrums einer der Spiralen abgeführt. Bei einer Bauweise mit zwei rotierenden Spiralen wird der Luftaustritt vorzugsweise im Bereich des Zentrums der von der angetriebenen Spirale mitgeschleppten Spirale vorgesehen. Bei dieser Ausführung sind Mittel zur Führung der heißen verdichteten Luft aus dem Verdichtungsendbereich und zur Überleitung an eine ortsfeste, d.h. nicht rotierende Einrichtung, beispielsweise in Form eines Druckstutzens vorgesehen. Die Mittel umfassen dabei wenigstens einen Mediumabfuhrkanal, bzw. bei Luft Lüftungskanal, welcher von wenigstens einem, mit dem Druckstutzen verbundenen und nicht drehbaren Element und einem weiteren zweiten Element, welches mit der mitgeschleppten Spirale im Bereich des Verdichtungsendbereiches drehfest verbindbar ist, gebildet wird. Als drehfest mit der Spirale gekoppeltes Element wird in der Regel ein Lüftungsrohr eingesetzt, welches in axialer Richtung ein Führungselement, die mit dem stillstehenden Druckstutzen verbunden ist, wenigstens über einen Teil von deren axialer Erstreckung in Umfangsrichtung umschließt, wobei diese Elemente eine Drehdurchführung bilden.

Ölfreie Spiralverdichter mit großen Verdichtungsverhältnissen erreichen dabei sehr hohe Verdichtungsendtemperaturen. Zur Reduzierung der damit einhergehenden Erwärmung der am Verdichtungsprozeß und der Führung des verdichteten und eine hohe Temperatur aufweisenden Mediums beteiligten Bauelemente sind entsprechende Mittel zur Kühlung vorgesehen, um die thermische Belastung und deren negative Folgen auf die Festigkeit und Verfügbarkeit zu minimieren. Die Rückseiten der beiden rotierenden Spiralen werden im einfachsten Fall luftgekühlt. Dazu sind entsprechend Kühlrippen an den Rückseiten der Spiralen vorgesehen, welche bezogen auf die Antriebsachse der angetriebenen Spirale wenigstens teilweise in radialer Richtung verlaufen, d.h. in radialer Richtung ausgerichtet sind, und sich hinsichtlich ihrer Höhe in axialer Richtung erstrecken. Zur Führung eines Kühlluftstromes wird dabei die durch Rotation der einzelnen Spiralen in den Zwischenräumen zwischen den Kühlrippen erzeugte Ansaugwirkung auf die Umgebungsluft ausgenutzt. Der Kühlluftstrom wird dabei in radialer Richtung betrachtet vom Bereich der Wellendurchmesser der rotierenden Spiralen in radialer Richtung in den Zwischenräumen zwischen den Kühlrippen an der Rückseite der jeweiligen Spirale bis zum Außenumfang der jeweiligen Spirale entlang geführt.

Bei derartig luftgekühlten Spiralverdichtern treten jedoch zunehmend Verschleißerscheinungen an den einzelnen Spiralen bereits nach einem Betriebszeitraum auf, welcher einem Teil der eigentlich zu gewährleistenden Gesamtbetriebsdauer entspricht. Diese Verschleißerscheinungen sind dabei durch den Eintritt und die Vermischung der schmutz- und staubhaltigen, zur Kühlung der Rückseiten der einzelnen Spiralen genutzten Umgebungsluft mit der in der Regel vorgereinigten, insbesondere gefilterten Ansaugluft, und der Verdichtung dieses Gemisches bedingt.

Zur Lösung dieses Problemes wurde bisher eine Ausführung mit berührungsloser Dichtung, insbesondere Spalt- oder Labyrinthspaltdichtung, zwischen Gehäuse und Spiralen vorgesehen. Aufgrund der möglichen Gestaltungen der Dichtung kann mit dieser Ausführung keine zuverlässige Trennung zwischen Umgebungs- und Ansaugluft im äußeren Verdichtungsbereich erzielt werden, weshalb die Gefahr das Schmutzeintrages in die Verdichtungsräume und damit eines vorzeitigen Verschleißes bestehen bleibt.

Zur weiteren Lösung dieses Problemes schlägt die Druckschrift EP 0882 893 A2 eine Ausführung eines Spiralverdichters vor, bei welchem das Ansaugmedium separat durch die antreibbare Spirale geführt wird, während die Kühlluft separat außerhalb am Gesamtspiralverdichter entlanggeführt wird. Bei dieser Ausführung wird dabei die Ansaugluft in einem Ansaugkanal geführt, welcher zwischen einem ruhenden Spiralkörper und einem rotierenden, drehfest über einen Flanschkörper mit der Antriebswelle verbundenen Spiralkörper gebildet wird. Der Ansaugkanal ist somit ringförmig ausgeführt und erstreckt sich über die gesamte Oberfläche des ruhenden Spiralkörpers. Ein Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Ausbildung des ringförmigen Ansaugkanales von der Auslegung des nicht orbitierenden und des mit dem orbitierenden Spiralkörper verbundenen Flanschelementes abhängig ist. Die Gesamtkonstruktion ist entsprechend darauf abzustimmen, um einen bestimmten Durchtrittsquerschnitt zu erzielen. Des weiteren besteht die Ausführung des Spiralverdichters aus einer Mehrzahl von Einzelteilen, die entsprechend dicht zueinander montiert werden müssen. Dies gilt insbesondere für das Flanschelement und den orbitierenden Spiralkörper sowie den Übergang zur drehfesten Verbindung des Flanschelementes mit einer Antriebswelle. Eine Kühlung der Spiralkörper ist direkt nicht möglich, sondern erfolgt lediglich indirekt über das den Spiralverdichter umschließende Gehäuse.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spiralverdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß mit diesem bei hohem Mediuminsbesondere Luftdurchsatz ein sicherer Betrieb über die gesamte zugesicherte Betriebsdauer gewährleistet ist, d.h. auch eine ausreichende Kühlwirkung bereitgestellt wird. Im einzelnen ist zur Reduzierung des Verschleißes der Spiralen eine sichere Trennung zwischen dem in den äußeren Verdichtungsraum anzusaugenden Medium, insbesondere Luft, und der Umgebungsluft zu gewährleisten. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich dabei durch einen geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand auszeichnen sowie keine spezielle Auslegung des Spiralverdichters erfordern. Eine leichte Austauschbarkeit der Einzelelemente soll möglich sein.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Ansaugluftzufuhr erfolgt entsprechend einer parallelen Anmeldung der Fa. Knorr Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH über Mittel zur separaten Führung des Ansaugmediums durch die antreibbare Spirale und/oder eine mit dieser drehfest verbundenen Antriebswelle in den äußeren Bereich der Spiralen. Die Mittel zur separaten Führung des Ansaugmediums durch die antreibbare Spirale und/oder eine mit dieser gekoppelten Antriebswelle in den äußeren Bereich der Spiralen umfassen wenigstens einen gegenüber der Umgebungsluft dicht abschließbaren Ansaugmediumführungskanal, wobei die Führung zum Verdichtungsraum entsprechend ausgestaltet sein muß. Erfindungsgemäß weist dazu ein, ein Spiralelement aufweisender Spiralkörper mindestens einen in den vom Spiralelement gebildeten Teilbereich der äußeren Verdichtungskammer mündenden Ansaugkanal auf.

Die Führung erfolgt dabei entlang an der Rückseite des Spiralkörpers der antreibbaren Spirale.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist beim Einsatz in Spiralverdichtern eine zuverlässige Trennung von Ansaugmedium, in der Regel Luft, und der Umgebung, insbesondere der die einzelnen Spiralen an deren Rückseite im Betrieb umströmenden Kühlluft, gegeben, so daß eine Verwirbelung bzw. Vermischung mit dem Ansaugmedium und damit eine Verunreinigung durch die im allgemeinen aus der Umgebungsluft gewonnenen Kühlluft im äußeren Bereich der Spiralen vermieden wird. Insbesondere bei Zufuhr eines vorgereinigten, vorzugsweise gefilterten Ansaugmediums kann mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Eintreten der Ansaugluft in den äußeren Verdichtungsraum mit gleicher Beschaffenheit hinsichtlich der Reinheit wie beim Austritt aus der Filtereinrichtung gewährleistet werden. Ein Verschleiß der Spiralen durch verunreinigte Ansaugluft kann bei Zufuhr gefilterter Ansaugluft zur Spirale ausgeschlossen werden.

Bezüglich der konkreten Ausführung des Ansaugkanales und der Zuordnung zum Spiralkörper bestehen eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Dieser erstreckt sich dabei vom Koppelbereich des Spiralkörpers mit einem Antrieb, insbesondere einer Antriebswelle bis in den Bereich des Außenumfanges des Spiralkörpers. Die Erstreckung erfolgt dabei entweder in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung direkt in radialer Richtung oder aber geneigt dazu.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bilden Ansaugkanal und der Spiralkörper eine bauliche Einheit, welche vorfertig- bzw. montierbar und selbständig handelbar ist. Der Ansaugkanal kann dazu

  • a) in der Wand des Spiralkörpers oder
  • b) in einem separaten an der vom Spiralelement wegweisenden Stirnseite angeordneten und befestigbaren Leitungselement angeordnet sein.

Vorzugsweise wird aus Gründen der Fertigung und Gewährleistung der Dichtheit gegenüber der Umgebung die integrierte Lösung gewählt.

Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt bei Vorhandensein von Kühlrippen an der vom Spiralelement wegweisenden Stirnseite des Spiralkörpers die Anordnung eines einzelnen Ansaugkanales jeweils im Zwischenraum zweier einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneter Kühlrippen.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

1a verdeutlicht eine Ansicht auf das Spiralelement eines erfindungsgemäß gestalteten Spiralkörpers;

1b verdeutlicht eine Ansicht auf die vom Spiralelement weggerichtete Stirnseite eines erfindunsggemäß gestalteten Spiralkörpers;

2 verdeutlicht eine Schnittdarstellung durch die an der vom Spiralelement weggerichteten Stirnseite eines erfindunsggemäß gestalteten Spiralkörpers angeordneten Kühlrippen.

Die 1a und 1b verdeutlichen anhand zweier Ansichten einen erfindungsgemäß gestalteten Spiralkörper 1, welcher in einem, hier nicht dargestellten Spiralverdichter, insbesondere einem ölfreien Spiralverdichter, mit einem komplementären Spiralkörper zusammenwirkt. Der Spiralkörper 1 weist dazu auf seiner beim Einsatz in einem Spiralverdichter zum komplementären Spiralkörper weisenden Stirnseite 2 ein Spiralelement 3 auf, welches im Zusammenwirken mit dem Spiralelement des komplementären Spiralkörpers Verdichtungsräume 4 bildet, welche durch die orbitierende Relativbewegung der Spiralkörper 1 und des hier nicht dargestellten komplementären Spiralkörpers vom radial äußeren Bereich 5 zum zentralen Bereich 6 hin verändert werden, so daß eine zunehmende Verdichtung des in den Verdichtungsräumen 4 vorliegenden Mediums, in der Regel Luft oder ein anderes kompressibles Fluid, erzielt wird. Dazu wird das zu verdichtende Medium, insbesondere die Luft, angesaugt und einem äußeren Verdichtungsraum der beiden miteinander in Wirkverbindung tretenden Spiralen, im dargestellten Fall dem vom Spiralkörper 1 gebildeten Teilbereich 7 des äußeren Verdichtungsraumes zugeführt. Die Zuführung erfolgt dabei über einen entsprechenden Ansaugkanal 8, weicher in den vom Spiralkörper 1 gebildeten Teilbereich des äußeren Verdichtungsraumes 7 mündet. Erfindungsgemäß bildet der Ansaugkanal 8 mit dem Spiralkörper 1 eine bauliche Einheit, d.h. er ist am Spiralkörper 1 angeordnet und befestigt oder aber gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung in diesem integriert. Der Ansaugkanal 8 kann dabei beispielsweise bei entsprechender Ausführung des Spiralkörpers 1 in der Wand des Spiralkörpers 1 ohne Beeinflussung der vom Spiralkörper 1 gebildeten Teilbereiche der Verdichtungsräume 4 erfolgen. Gemäß einer Ausführung in 1b, welche eine Ansicht auf die Rückseite, das heißt die vom komplementären Spiralkörper weggerichtete Stirnseite 9 darstellt, vorzugsweise derart ausgeführt, daß die ohnehin vorhandenen räumlichen Gegebenheiten am Spiralkörper ohne zusätzliche Änderungen der Dimensionierung des Spiralkörpers 1 hinsichtlich der Abmessungen beim Einsatz in Spiralverdichtern in axialer Richtung vorgenommen werden müssen. Die vom komplementären Spiralkörper im Spiralverdichter wegweisende Stirnseite 9, welche auch als Rückseite bezeichnet wird, trägt dabei mindestens einen Ansaugkanal 8. Der Ansaugkanal 8 erstreckt sich dabei im wesentlichen in radialer Richtung an der Stirnseite 9 bis in den Bereich des Außenumfanges 10 des Spiralkörpers, mindestens jedoch bis in den vom Spiralkörper 1 gebildeten Teilbereiches des äußeren Verdichtungsraumes 7. Der Ansaugkanal 8 ist dabei direkt mit dem Verdichtungsraum 7 beziehungsweise am Spiralkörper 1 dem von diesem gebildeten Teilbereich des äußeren Verdichtungsraumes 7 verbunden. Im Spiralkörper 1 sind dabei Mittel 11 zur Zufuhr von Ansaugmedium im radial inneren Bereich des Spiralkörpers 1, welcher hier mit 12 bezeichnet ist, vorgesehen, wobei die Zufuhr koaxial zur Achse ASK des Spiralkörpers oder konzentrisch zu dieser erfolgt. Gemäß der Schnittdarstellung in 2 durch die Rückseite 9 des Spiralkörpers 1 umfassen die Mittel zur Zufuhr von Ansaugmedium 11 einen im Bereich der Achse des Spiralkörpers ASK ringförmig ausgebildeten Kanal 14, welcher koaxial zur Spiralachse ASK ausgebildet ist und von dem sich der Ansaugkanal 8 in radialer Richtung im wesentlichen bis in den Bereich des Außenumfanges 10 des Spiralkörpers 1 erstreckt. Dieser Kanal 14 endet in einer zur Atmosphäre hin erfolgende Öffnung 13, welche beim Einbau in Spiralverdichtern mit entsprechend dazu komplementären Verbindungsanschlüssen an den Anschlußelementen koppelbar ist. Eine nur teilweise Erstreckung in radialer Richtung ist ebenfalls möglich, vorzugsweise ist jedoch der Spiralkörper 1 immer derart aufgebaut und dimensioniert, daß der äußere Verdichtungsraum 7 möglichst weit am Außenumfang der einzelnen Spiralkörper angeordnet ist.

Gemäß 1b und der Schnittdarstellung durch die Rückseite 9 des Spiralkörpers 1 sind an dieser Kühlrippen 15.1 bis 15.n angeordnet, welche sich vom radial inneren Bereich 12 am Spiralkörper 1 in radialer Richtung bis zum Außenumfang 10 des Spiralkörpers 1 erstrecken, das heißt in radialer Richtung bezogen auf die Achse des Spiralkörpers ASK ausgerichtet sind. Beim Einsatz des Spiralkörpers 1 in einem Spiralverdichter wird dabei bei Rotation der Spiralkörper Kühlluft durch die durch die Kühlrippen 15.1 bis 15.n gebildeten Zwischenräume 16.1 bis 16.n am Spiralkörper 1 erzeugt. Die Kühlluft wird dabei in radialer Richtung von den mit den Spiralen gekoppelten Wellen in Richtung des äußeren Umfanges 10 des Spiralkörpers 1 geführt. Diese Luft führt in der Regel Schmutz beziehungsweise Schmutzpartikel mit, welche bei Spiralverdichtern mit konventionellen Spiralkörpern in die bereits vorgefilterte Ansaugluft eintreten. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung der Integration des Ansaugkanals im Spiralkörper 1 wird dies durch die separate Führung des Ansaugmediums gegenüber der Umgebungsluft ausgeschlossen.

Im dargestellten Fall gemäß den Ausführungen von 1b und 2 ist der Ansaugkanal 8 zwischen zwei aufeinander in Umfangsrichtung am Spiralkörper 1 angeordneten Kühlrippen 15.1 und 15.2 im von diesen gebildeten Zwischenraum 16.1 angeordnet. Die Ausbildung des Ansaugkanales 8 und dessen Integration beziehungsweise Zusammenfügen mit dem Spiralkörper 1 zu einer integralen Baueinheit kann vielgestaltig erfolgen. Im einfachsten Fall erfolgt die Ausbildung dabei im Spiralkörper durch entsprechende Fertigung und Bearbeitung des Spiralkörpers 1, beispielsweise als Gußelement, wobei der Führungskanal zusätzlich in den Spiralkörper eingearbeitet wird. Eine andere Ausführung besteht darin, den Ansaugkanal 8 in einem separaten Kanalelement auszuführen, wobei dieses an der Rückseite 9 des Spiralkörpers 1 an der von der Rückseite 9 gebildeten Fläche 17 befestigt ist. Allerdings sind in diesem Fall die Übergänge zu den entsprechenden Verbindungskanälen, insbesondere dem ringförmigen Verbindungskanal in entsprechender Weise dicht auszuführen, weshalb vorzugsweise auf die einteilige Lösung abgestellt wird.

1Spiralkörper 2zum komplementären Spiralkörper ausgerichtete Stirnseite 2 des Spiralkörpers 1 3Spiralelement 4Verdichtungsräume 5radial äußerer Bereich 6zentraler Bereich 7vom Spiralkörper 1 gebildeter Teilbereich des äußeren Verdich tungsraumes 8Ansaugkanal 9vom komplementären Spiralkörper weggerichtete Stirnseite 10Außenumfang 11Mittel zur Zufuhr von Ansaugmedium 12radial innerer Bereich 13Öffnung 14ringförmiger Kanal 15.1–15.nKühlrippen 16.1–16.nZwischenräume 17Fläche ASKAchse des Spiralkörpers

Anspruch[de]
  1. Spiralkörper (1) für den Einsatz in Spiralverdichtern mit einer Wand (Bodenplatte) und einem Spiralelement (3)

    1.1 mit mindestens einem in einen vom Spiralelement (3) gebildeten Teilbereich (7) einer äußeren Verdichtungskammer des Spiralverdichters mündenden Ansaugkanal (8);

    gekennzeichnet durch folgende Merkmale;

    1.2 der Ansaugkanal (8) und der als Gußteil ausgeführte Spiralkörper (1) bilden eine bauliche Einheit;

    1.3 der Ansaugkanal (8) ist in der Wand des Spiralkörpers (1) angeordnet.
  2. Spiralkörper (1) nach Anspruch 1,

    2.1 mit einem Koppelbereich zum Anschluss an eine Antriebswelle, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:

    2.2 der Ansaugkanal erstreckt sich vom Koppelbereich zum Außenumfang (10) des Spiralkörpers (1).
  3. Spiralkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (8) in radialer Richtung ausgerichtet ist.
  4. Spiralkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

    4.1 an der vom Spiralelement (3) wegweisenden Stirnseiten (9) sind Kühlrippen (15.115.n) angeordnet;

    4.2 der einzelne Ansaugkanal (8) ist im Zwischenraum (16.116.n) zweier einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneter Kühlrippen (15.115.n) angeordnet.
  5. Spiralkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (8) über seine Erstreckung am Spiralkörper (1) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.
  6. Spiralkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:

    mit einer im radial inneren Bereich des Spiralkörpers (1) angeordneten und zur Atmosphäre oder zu einer angeschlossenen hohlen Antriebswelle hinweisende Öffnung (13) und einem ringförmigen Kanal (14), welcher mit dem Ansaugkanal (8) verbunden ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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