Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip

Abstract

 Bei einer Verdrängermaschine für kompressible Medien nach dem Spiralenprinzip schliesst die Läuferscheibe (2) radial mit den Verdrängerleisten (3,3ʹ) ab. Damit die Scheibe (2) das Gehäuse durchdringen kann, ist im Einlassbereich (12,12ʹ) der Maschine der innere Steg (18,18ʹ) einer Gehäusehälfte (7) um den Betrag der Scheibendicke abgesenkt. Um Undichtigkeiten während des Maschinenbetriebes zu vermeiden, ist der Uebergang (19,19ʹ) zwi­schen erhabenem (17,17ʹ) und abgesenktem (18,18ʹ) Steg kreisrund ausgebildet. Die Rundung kooperiert mit einer kreisbogenförmigen Aussparung (20,20ʹ) der Scheibe (2).
Derartige Maschinen eignen sich insbesondere zur Aufladung von Brennkraftmaschinen.

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompressible Medien mit mindestens vier in einem feststehenden Gehäuse ange­ordneten Förderräumen, wobei bei vier Förderräumen jede Gehäu­sehälfte zwei um ca. 180° gegeneinander versetzte und spiralför­mig von einem Einlass zu einem Auslass verlaufende Förderräume aufweist, und wobei jedem Förderraum ein in diesen eingreifenden Verdrängerkörper zugeordnet ist, der als spiralförmige Leiste senkrecht auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreib­baren scheibenförmigen Läufer gehalten ist, zu dessen Führung im Gehäuse eine zur ersten Antriebsexzenteranordnung mit Abstand angeordnete zweite Führungsexzenteranordnung vorgesehen ist.

Stand der Technik

[0002] Verdrängermaschinen der genannten Art sind beispielsweise aus der DE-C3-2 603 462 bekannt. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmit­tel aus und können daher auch für Aufladezwecke von Brennkraftma­schinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betriebes einer solchen als Verdichter arbeitenden Verdrängermaschine wer­ den entlang der Förderkammer zwischen dem spiralförmig ausgebil­deten Verdrängerkörper und den beiden Zylinderwänden der Förder­kammer infolge unterschiedlicher Krümmung der Spiralformen meh­rere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von einem Arbeitsmitteleinlass durch die Förderkammer hindurch zu einem Arbeitsmittelauslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels entsprechend erhöht wird. Die Verdrängerkörper werden durch auf dem scheibenförmigen Läufer im wesentlichen senkrecht stehend gehaltene, spiralförmige Leisten gebildet, die eine relativ grosse axiale Länge im Ver­hältnis zu ihrer Stärke aufweisen. Aehnliche Verhältnisse liegen auf der Seite des feststehenden Gehäuses vor, wo zwischen den Förderkammern ebenfalls sprialförmige, leistenartige Stege ste­henbleiben mit im Verhältnis zur Wandstärke relativ grosser Länge in axialer und in Umfangsrichtung.

[0003] Eine präzise Abwälzung eines Verdrängerkörpers nach dem Spiral­prinzip durch eine translatorische Kreisbewegung kann durch einen Doppelkurbeltrieb erreicht werden, wie er beispielsweise aus der DE-A-3 107 231 bekannt ist und bei dem eine Kurbel antreibt und die zweite Kurbel führt.

[0004] Durch Fertigungsabweichungen verursachte ungenaue Parallelführung des eine grosse axiale Breite aufweisenden Verdrängerkörpers zum Gehäuse stellt ein grosses Problem dar. Abhilfe wurde hierzu in der DE-A-3 231 756 vorgeschlagen in der Weise, dass das Führungs­element nicht aus einer Kurbel, sondern aus einer einerseits am Gehäuse und andererseits am Verdrängungskörper angelenkten Kur­belschwinge besteht, deren Länge grösser ist als die Länge der Antriebskurbel. Auch hier sind die spiralförmigen Leisten axial abstehend auf einer eine Nabe zur Lagerung des exzentrischen Kur­beltriebes aufweisenden Scheibe angeordnet. Die Scheibe schliesst radial mit der Leiste ab, wobei dann der bewegungbedingte verän­derliche Spalt zwischen Gehäuse und Verdrängerkörper durch spe­zielle Ausbildung des Führungselementes berührungsfrei minimiert ist. Die Längsspalten werden dabei durch überlappende, radienför­mige Flächen des Gehäuses, des Führungselementes und des Verdrän­gerkörpers begrenzt. Ein Vorteil dieser Führungsart und Abdich­ tungsart ist darin zu sehen, dass der Durchmesser des scheiben­förmigen Läufers und damit auch des Gehäuses um die zweifache Kurbellänge verringert werden kann.

[0005] Dieser Vorteil ist bei einer Bauart nach DE-A-3 107 231, wie sie eingangs genannt wurde und hier zugrundegelegt ist, nicht gege­ben. Dort überragt die Läuferscheibe die Leiste radial um einen Betrag, der die dann erforderliche Gehäuseausnehmung in jeder Stellung des Verdrängerkörpers überlappt. Die Abdichtung erfolgt dann durch die minimierte Axialspalte zwischen der Scheibe und dem Gehäuse. Diese bedingt jedoch zum einen eine erhebliche Ver­grösserung des Verdrängerkörpers und des Gehäuses und zum andern eine beträchtliche Vermehrung der erforderlichen Dichtleisten.

Darstellung der Erfindung

[0006] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art so zu konfigu­rieren, dass sie mit den Vorteilen der zweitgenannten Bauart, d.h. mit geringem Durchmesser und damit geringem Gewicht und vo­lumen ausgestattet ist.

[0007] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Steg mit der äusseren Zylinderwand der einen Förderkammer im Bereich der Einströmpartie der um ca. 180° versetzten zweiten Förderkammer sich als Steg mit der inneren Zylinderwand dieser zweiten För­derkammer fortsetzt, dass die Scheibe radial mit den Leisten ab­schliesst und im Bereich der Einlässe der Spiralen das Gehäuse durchdringt, wozu die inneren Zylinderwände der Förderkammern an einer Gehäusehälfte um den Betrag der Scheibendicke abgesenkt sind und der Uebergang zwischen erhabener äusserer und abgesenk­ter innerer Zylinderwand als kreisrunder Absatz ausgebildet ist, und wobei während des Maschinenbetriebes in den Perioden, in de­nen in radial benachbarten Förderräumen unterschiedliche Drücke herrschen, dieser kreisrunde Absatz zweck Bildung einer sich über die Absatzhöhe erstrekkenden Dichtlinie mit einer kreisbogenför­migen Aussparung der Scheibe kooperiert.

[0008] Das grundlegende Dichtungsprinzip der bereits besprochenen DE-A-3 231 756 kommt dabei in gehöriger Abwandlung zur Anwendung. Zwar könnte man bei oberflächlicher Betrachtung des deutschen Ge­brauchsmusters G 85 11707.2 auf den Gedanken kommen, die erfin­dungemässe Ausbildung sei dort bereits auf Grund der kreisförmi­gen Aussparung der Scheibe zwischen Spiraleneintritt und -aus­tritt verwirklicht. Jedoch erkennt man, dass das Abdichtungspro­blem dort überhaupt nicht gelöst ist, weil bei der Kreisbewegung der Eintrittsbereich der Spirale in jedem Fall mit dem Austritts­bereich kommuniziert.

[0009] Der Erfindung liegt jedoch der Gedanke zugrunde, dass anlässlich der Kreisbewegung nur solche Förderräume miteinander kommunizie­ren, in denen der gleiche Druck herrscht. Bei unterschiedlichen Drücken in den nebeneinander liegenden Räumen ist die Abdichtung wirksam. Dieses Prinzip ist indes nur möglich bei verschachtelter Anordnung von mindestens zwei Spiralen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0010] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sche­matisch dargestellt.

[0011] Es zeigt:

Fig. 1 ein Gehäuseteil mit erfindungsgemässer Wandgestaltung

Fig. 2 einen Läufer

Fig. 3 eine perspektivische Teildarstellung eines Spiralenein­tritts

Fig. 4-7 Teilansichten des im Gehäuseteils nach Fig. 1 einlie­genden Läufers gemäss Fig. 2 in den Winkelstellungen 0°, 90°, 180°, 270°.

[0012] Der Uebersichtlichkeit wegen ist die Maschine in den Fig. 1 und 2 in demontiertem Zustand gezeigt. Nicht dargestellt, weil erfin­dungsunwesentlich, ist der Antrieb; er ist in Fig. 1 lediglich angedeutet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0013] Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die be­reits genannte DE-C3-2 603 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozess­ablauf kurz beschrieben.

[0014] Mit 1 ist in Fig. 2 der Läufer der Maschine insgesamt bezeichnet. An beiden Seiten der Scheibe 2 sind je zwei, um 180° zueinander versetzte, spiralförmig verlaufende Verdrängerkörper angeordnet. Es handelt sich um Leisten 3,3ʹ, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spiralen selbst sind im gezeigten Beispiel aus mehreren, aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet. Infolge des eingangs erwähnten grossen Verhältnisses zwischen axialer Länge zur Wandstärke ist das eintrittsseitige Ende der Leisten 3,3ʹ jeweils verstärkt ausgeführt. Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, mit welcher die Scheibe 2 auf einem nicht dargestellten Lager aufgezogen ist. Das Lager selbst sitzt auf einer Exzenterscheibe, die ihrerseits Teil der Antriebswelle ist. Mit 5 ist ein radial ausserhalb der Leisten 3,3ʹ angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers, welches auf einem Exzenterbolzen aufgezogen ist. Dieser ist seinerseits Teil einer Führungswelle. Die Exzentrizität e der Exzenterscheibe auf der Antriebswelle entspricht jener des Exzenterbolzen auf der Führungswelle. Am Spiralenaustritt sind in der Scheibe 2 Durchbrüche 6 vorgesehen, damit das Medium von einer Scheibenseite zur andern gelangen kann, beispielsweise um in einem nur einseitig angeordneten zen­tralen Auslass abgezogen zu werden.

[0015] In Fig. 1 ist die untere Gehäusehälfte 7 des aus zwei Hälften zu­sammengesetzten, über Befestigungsaugen 8 zur Aufnahme von Ver­ schraubungen miteinander verbundenen Maschinengehäuses gezeigt. 9 symbolisiert die Aufnahme für die Antriebswelle, 10 die Aufnahme für die Führungswelle. 11 und 11ʹ bezeichnen die zwei jeweils um 180° gegeneinander versetzten Förderräume, die nach Art eines spiralförmigen Schlitzes in die beiden Gehäusehälften eingearbei­tet sind. Sie verlaufen von je einem am äusseren Umfang der Spi­rale im Gehäuse angeordneten Einlass 12,12ʹ zu einem in Gehäus­einneren vorgesehenen, beiden Förderräumen gemeinsamen Auslass 13. Sie weisen im wesentlichen parallele, in gleichbleibendem Ab­stand zueinander angeordnete Zylinderwände 14,14ʹ, 15,15ʹ auf, die im vorliegenden Fall wie die Verdrängerkörper der Scheibe 2 eine Spirale von ca. 360° umfassen. Zwischen diesen Zylinderwän­den greifen die Verdrängerkörper 3,3ʹ ein, deren Krümmung so be­messen ist, dss die Leisten die inneren und die äusseren Zylin­derwände des Gehäuses an mehreren, beispielsweise an jeweils zwei Stellen nahezu berühren.

[0016] Auf Fig. 1 ist erkennbar, dass im Bereich des Einlasses 12ʹ der Steg 17 mit der äusseren Zylinderwand 14 sich im Steg 18ʹ mit der inneren Zylinderwand 15ʹ fortsetzt. Diese Massnahme trifft auch im Bereich des Einlasses 12 zu, wobei allerdings in Folge des Führungsexzenters die Geometrie etwas verschoben ist. Der Ueber­gang vom Steg 17ʹ zum Steg 18 erfolgt hier versetzt, ca. um den Durchmesser der Aufnahme 10.

[0017] Den Antrieb und die Führung des Läufers 1 besorgen die zwei beab­standeten Exzenteranordnungen (4,9 resp. 5,10). Um in den Tot­punktlagen eine eindeutige Führung des Läufers zu erzielen, wer­den die beiden Exzenteranordnung über einen angedeuteten Zahn­riemenantrieb 16 winkelgenau synchronisiert. Dieser Doppelexzen­terantrieb sorgt dafür, dass alle Punkte der Läuferscheibe und damit auch alle Punkte der beiden Leisten 3 und 3ʹ eine kreisför­mige Verschiebebewegung ausführen.

[0018] Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherungen der Leisten 3,3ʹ an die inneren und äusseren Zylinderwände der zugeordneten Förderkammern ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten sichel­förmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume, die wäh­ rend des Antriebes der Läuferscheibe durch die Förderkammern in Richtung auf den Auslass verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeits­mittels wird entsprechen erhöht.

[0019] Die Fig. 1 zeigt, dass die Scheibe 2 - abgesehen von dem radial überstehenden Aufge 5 - radial mit den Leisten 3,3ʹ abschliesst. Dies bedeutet, dass die Scheibe in radialer Richtung im Bereich der Einlässe 12,12ʹ mindestens eine Gehäusehälfte durchdringen muss. Im vorliegenden Fall geschieht dies an der unteren Gehäuse­hälfte 7. Hierzu sind deren innenliegenden Stege 18,18ʹ gegenüber den aussenliegenden Stegen 17,17ʹ um den Betrag der Scheibendicke abgesenkt. Diese Massnahme weist den Vorteil auf, dass in der un­teren Gehäusehälfte nur an den inneren Stegen 18,18ʹ Dichtleisten anzuordnen sind, die bis zum Auslass hin die Förderräume 11,11ʹ über die Scheibe 2 gegeneinander abdichten.

[0020] Würde nun der Uebergang von Steg 17 zum Steg 18ʹ scharfkantig und radial erfolgen und demzufolge auch die Scheibe 2 an den entspre­chenden Eintrittspartien radial abschliessen, so entstünde eine Undichtigkeit zwischen den Förderkammern 11 und 11ʹ.

[0021] Wie aus Fig. 1 und insbesondere aus Fig. 3 erkennbar, wird dieser Uebergang nunmehr als kreisrunder Absatz 19,19ʹ mit dem Radius R1 ausgebildet. Die Gegenfläche an der Scheibe 2 wird mit einer ent­sprechend kreisbogenförmigen Aussparung 20,20ʹ versehen, wobei der Radius R2 dieser Aussparung der Exzentrizität e + Radium R1 entspricht. Wie diese Absätze 19,19ʹ anlässlich des Maschinen­betriebes zwecks Bildung einer Dichtlinie 21 mit den kreisbogen­förmigen Aussparungen 20,20ʹ kooperieren, zeigen die Fig. 4 bis 7.

[0022] In Fig. 4 bei der Winkelstellung 0° ist das Ansaugen im äusseren Förderraum 11a gerade beendet. Die Leiste 3 liegt (nicht darge­stellt) sowohl am Einlass 12 als auch am Auslass 13 an der äusse­ren Zylinderwand 14 an. Auf der Gegenseite ist der Ansaugvorgang im inneren Förderraum 11ʹ i beendet, d.h. die Leiste 3ʹ liegt ein­trittsseitig und austrittsseitig an der inneren Zylinderwand 15ʹ an. Da nunmehr bei Weiterdrehung des Läufers der Fördervorgang resp. je nach Spiralenkonfiguration der Verdichtungsvorgang in den sichelförmigen, geschlossenen Arbeitsräumen beginnt, ist Ab­dichtung im Punkt A erforderlich, damit das geförderte Mittel nicht in den Einlass 12ʹ entweichen kann. Auf der Gegenseite ist diese nicht nötig, da sowohl der innere Förderraum 11i als auch der äussere Förderraum 11ʹa zu ihren jeweiligen Einlässen 12 resp. 12ʹ hin geöffnet sind.

[0023] In der Winkelstellung 90° in Fig. 5 ist zu sehen, wie sich im Punkt A die Aussparung 20 um den runden Absatz 19 herum abwälzt und dabei die Dichtwirkung aufrecht erhält.

[0024] Bei 180° Winkelstellung gemäss Fig. 6 ist der Ansaugvorgang im äusseren Förderraum 11ʹa beendet. Es muss daher in Punkt Aʹ ab­gedichtet werden, damit das Arbeitsmittel nicht über die abge­senkten Stegpartien im Augenbereich in den Einlass 12 entweichen kann.

[0025] Die 270° Winkelstellung zeigt die weiterhin permanente Abdichtung in Aʹ und die nicht nötige Abdichtung im Einlass 12ʹ, da dort so­wohl die inneren als auch die äusseren Förderräume zu ihren Ein­lässen hin öffnen und dort Druckgleichheit herrscht.

Ansprüche

1. Verdrängermaschine für kompressible Medien mit mindestens vier in einem feststehenden Gehäuse angeordneten Förderräu­men, wobei bei vier Förderräumen jede Gehäusehälfte (7) zwei um ca. 180° gegeneinander versetzte und spiralförmig von ei­nem Einlass (12,12ʹ) zu einem Auslass (13) verlaufende För­derräume (11,11ʹ) aufweist und wobei jedem Förderraum ein in diesen eingreifenden Verdrängerkörper zugeordnet ist, der als spiralformige Leiste (3,3ʹ) senkrecht auf einem gegen­über dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer (1) gehalten ist, zu dessen Führung im Gehäuse eine zur ersten Antriebsexzenteranordnung (4,9) mit Abstand ange­ordnete zweite Führungsexzenteranordnung (5,10) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steg (17 resp. 17ʹ) mit der äusseren Zylinderwand (14 resp. 14ʹ) der einen Förderkammer (11 resp 11ʹ) im Be­reich der Einströmpartie (12ʹ resp. 12) der um ca. 180° ver­setzten zweiten Förderkammer (11ʹ resp. 11) sich als Steg (18ʹ resp. 18) mit der inneren Zylinderwand (15ʹ resp. 15) dieser zweiten Förderkammer (11ʹ resp. 11) fortsetzt, dass die Scheibe (2) radial mit den Leisten (3,3ʹ) abschliesst und im Bereich der Einlässe (12,12ʹ) der Spiralen das Ge­häuse durchdringt, wozu die inneren Zylinderwände (15,15ʹ) der Förderkammern an einer Gehäusehälfte (7) um den Betrag der Scheibendicke abgesenkt sind und der Uebergang zwischen erhabener äusserer (14,14ʹ) und abgesenkter innerer (15,15ʹ) Zylinderwand als kreisrunder Absatz (19,19ʹ) ausgebildet ist, und wobei während des Maschinenbetriebes in den Pe­rioden, in denen in radial benachbarten Förderräumen (11,11ʹ) unterschiedliche Drücke herrschen, dieser kreis­runde Absatz (19,19ʹ) zwecks Bildung einer sich über die Absatzhöhe erstreckenden Dichtlinie (21) mit einer kreis­ bogenförmigen Aussparung (20,20ʹ) der Scheibe (2) koope­riert.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (20,20ʹ) einen Radius (R2) aufweist, der den Beträgen der Exzentrizität (e) + Radius (R1) des Ab­satzes (19,19ʹ) angepasst ist.

Zeichnung