Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip

Abstract

 Bei einer Verdrängermaschine für kompressible Medien führen mehrere in einem feststehenden Gehäuse angeordneten spiralförmigen Förderräume (11a, 11b) von einem radial aussenliegenden Einlass (12) zu einem radial innenliegenden Auslass (13). Die im Gehäuse die Förderräume (11a, 11b) begrenzenden Stege (9, 10) sind einteilig mit dem Gehäuse hergestellt und das gesamte Gehäuse ist aus der gleichen oder einer ähnlichen Magnesium-Basis-Legierung gefertigt wie der Verdrängerkörper (2, 3, 4, 5).
Im gleichen Gehäuseteil (7b), in dem sich das Gehäuse (14) des Auslasses (13) für das geförderte Arbeitsmittel befindet, ist ein Gehäuse (55) für eine Absperrklappe (56) integriert.

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Verdrängermaschine für kompressible Medien mit mehreren in einem feststehenden Gehäuse angeordneten spiralförmigen Förderräumen, welche von einem radial aussenliegenden Einlass zu einem radial innenliegenden Auslass führen, und mit einem den Förderräumen zugeordneten Verdrängerkörper, im wesentlichen bestehend aus einer Scheibe mit an beiden Seiten senkrecht angeordneten spiralförmigen Leisten, wobei der exzentrisch angetriebene Verdrängerkörper während des Betriebes mit jedem seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt.

Stand der Technik

[0002] Verdrängermaschinen der Spiralbauart sind durch die DE-C-26 03 462 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betriebes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdrängerkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden der Verdrängerkammer mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen.

[0003] Eine Maschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der EP-A-0 354 342. Um das Bauvolumen der Maschine besser auszunutzen, geht die Entwicklungstendenz in Richtung höherer Druckverhältnisse und höherer Drehzahlen. Ersteres bedingt noch steilere Temperaturgradienten in der Scheibe, letzteres führt zu grösseren Massenkräften. Der Verdrängerkörper wird deshalb bevorzugt aus einer Leichtmetallegierung, beispielsweise Magnesium, ausgeführt. Damit können die auf das Hauptexzenterlager wirkenden Massenkräfte minimiert werden. Die beiden Gehäusehälften einer solchen Maschine bestehen meistens aus einem kostengünstigen Aluminium-Druckguss. Mit entsprechend steifer Konstruktion der Antriebswelle und der Lagerpartie des Läufers können sich bei dieser Materialpaarung die Spiralwände des Verdrängerkörpers und der Gehäusestege in Spiral-Umfangsrichtung berühren. Die Materialien arbeiten sich auf das Spiel 0 (null) ein, ohne dass Fresserscheinungen an einem der beteiligten Elemente zu erwarten sind. Dieser Sachverhalt hat zum einen eine grössere Toleranzbreite anlässlich der mechanischen Bearbeitung der Elemente zur Folge und ermöglicht zum andern höhere Einsatztemperaturen der Maschine im Betrieb.

[0004] Beim Einsatz von mechanischen Ladern zur Aufladung von Verbrennungsmaschinen wird in der Regel eine Bypass-Schaltung eingesetzt, die im Teillastgebiet die nicht benötigte Ladeluft von der Druckseite des Laders auf die Ansaugseite zurückbefördert. In der Bypassleitung ist ein Absperrorgan angeordnet.

Darstellung der Erfindung

[0005] Ausgehend von der Absicht, weiterhin von den Vorteilen der Magnesiumlegierungen wie Gewicht, Reibeigenschaften und dergleichen Gebrauch zu machen, und von der Tatsache, dass bei der Serienfertigung einer derartigen Maschine eine Trennung der Aluminium- von der Magnesiumbearbeitung erforderlich ist, was zu erhöhten Investitionen führt, stellt sich der Erfindung die Aufgabe, eine Verdrängungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher das gleiche Ausgangsmaterial für die in Wirkverbindung miteinanderstehenden Teile verwendet werden kann, und welche eine kompakte Bypassanordnung ermöglicht.

[0006] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sowohl der Verdrängerkörper als auch das Gehäuse aus einer gleichen Leichtmetall-Legierung, beispielsweise auf der Basis von Magnesium, besteht, dass das Gehäuse aus Druckguss gefertigt ist und dass in einem Gehäuseteil ein Gehäuse für eine Absperrorgan integriert ist.

[0007] Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass im Falle der Berührung von Verdränger und Gehäuse auf die Einlauffähigkeit des verwendeten Materials nicht verzichtet werden muss. Die voluminösten Teile einer Spiralmaschine sind nämlich die Gehäusehälften; sie bilden den überwiegenden Gewichtsanteil. Die durch die neue Massnahne insgesamt wesentlich leichter werdende Verdrängermaschine bedingt in der Folge auch leichtere Abstützungen am Aufstellungsort. Ist dieser Aufstellungsort zum Beispiel ein aufzuladender Verbrennungsmotor, so wirkt sich die leichtere Bauart insbesondere günstig auf das Schwingverhalten des Gesamtsystemes aus.

[0008] Es ist zweckmässig, wenn sich im gleichen Gehäuseteil, welches das Gehäuse für das Absperrorgan enthält, auch der Auslass für das geförderte Arbeitsmittel befindet. Wenn die beiden Kanäle zudem parallele Mittelachsen aufweisen, so ermöglicht dies deren mechanische Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung und mit einer gemeinsamen Haupt-Bearbeitungsachse.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0009] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

[0010] Es zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt durch eine Verdrängermaschine in einer schematisierten Anordnung eines Verbrennungsmotors;

Fig. 2

einen Längsschnitt durch eine Gehäusehälfte;

Fig. 3

eine Schaltungsvariante.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0011] Gemäss Fig. 1 wird athmosphärische Luft über einen Filter 50 angesaugt und in den Einlass 12 der spiralförmigen Verdrängermaschine gefördert. Nach der Verdichtung verlässt sie die Maschine als Ladeluft über eine Ladeluftleitung 51 und einen Ladeluftverteiler 52 zum Verbrennungsmotor 53.

[0012] Zwecks Erläuterung der Funktionsweise der Spiralmaschine, welche 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.

[0013] In Fig. 1 ist das Gehäuse der Verdrängermaschine mit den Förderräumen und dem eingelegten Verdränger gezeigt. Mit 1 ist der Läufer der Maschine insgesamt bezeichnet. An beiden Seiten der Scheibe 2 sind spiralförmig verlaufende Verdrängerkörper angeordnet. Es handelt sich um Leisten 3a, 3b, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spiralen selbst sind in der Regel aus mehreren, aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet.

[0014] Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, über welche die Scheibe 2 mit einem Gleitlager 22 auf einer Exzenterscheibe 23 sitzt. Diese Scheibe ist ihrerseits Teil der Hauptwelle 24. Mit 5 ist ein radial ausserhalb der Leisten 3a, 3b angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers 25, welches auf einem Exzenterbolzen 26 aufgezogen ist. Dieser ist seinerseits Teil einer Führungswelle 27. Am Spiralende sind in der Scheibe Durchtrittsfenster 6 vorgesehen, damit das Medium von der linken Scheibenseite zur rechten Scheibenseite gelangen kann, um in einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslass 13 abgezogen zu werden.

[0015] Die Elemente 2, 3a, 3b, 4 und 5 sind einteilig aus einer Magnesiumlegierung gefertigt.

[0016] Das Maschinengehäuse setzt sich aus den Gehäusehälften 7a, 7b zusammen, die über nicht dargestellte Befestigungsaugen zur Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbundenen sind. 11a, 11b bezeichnen die zwei jeweils um 180° gegeneinander versetzten Förderräume, die nach Art eines spiralförmigen Schlitzes in die Gehäusehälften eingearbeitet sind. Sie verlaufen von einem am äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 12 zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen, beiden Förderräumen gemeinsamen Auslass 13. Sie weisen im wesentlichen parallele, in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände auf, die wie die Verdrängerkörper der Scheibe 2 eine Spirale von 360° umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden greifen die Verdrängerkörper 3a, 3b ein, deren Krümmung so bemessen ist, dass die Leisten die inneren und die äusseren Zylinderwände des Gehäuses an mehreren, beispielsweise an jeweils zwei Stellen nahezu berühren. An den freien Stirnseiten der Leisten 3a, 3b und der Stege 9, 10 sind Dichtungen 21 in entsprechenden Nuten eingelegt. Mit ihnen werden die Arbeitsräume gegen die Seitenwände des Gehäuses resp. gegen die Verdrängerscheibe gedichtet.

[0017] Gemäss der Erfindung sind nunmehr beim gezeigten Beispiel die beiden Gehäusehälften 7a und 7b zusammen mit den die Förderräume 11a und 11b bildenden Stege 9 und 10 ebenfalls aus einer Magnesiumlegierung gefertigt, die nicht notwendigerweise die gleiche sein muss wie jene des Verdrängerkörpers. Es kann sich dabei bei beiden Teilen um eine Guss- oder um eine Schmiedekonstruktion handeln.

[0018] Fertigungsvorteile sind in der Art zu erwarten, dass nunmehr

• Verdränger und Gehäuse auf der gleichen Fräsmaschine bearbeitet werden können;
• dass bei der Magnesiumzerspanung die Fräswerkzeuge wesentlich höhere Standzeiten aufweisen als bei der Aluminiumzerspanung;
• dass die Magnesiumzerspanung weniger Energie braucht;
• und dass infolge des kleineren Energieverbrauchs die Zerspanungsmaschine eine kleinere Antriebseinheit benötigt.

[0019] In der rechten Gehäusehälfte 7a ist unmittelbar stromabwärts des Einlasses 12 das Gehäuse 55 für das Absperrorgan 56, hier eine Klappe, angeordnet. Dieses Gehäuse 55 und das den Auslass 13 begrenzende Gehäuse 14 münden in einen auf übliche Weise angeflanschten Gehäusedeckel 57, von dem die Ladeluftleitung abzweigt. Der Gehäusedeckel 57 bildet den eigentlichen Bypass, welcher somit kürzeste Strömungswege ermöglicht.

[0020] Den Antrieb und die Führung des Läufers 1 besorgen die zwei beabstandeten Exzenteranordnungen 23, 24 resp. 26, 27. Die Hauptwelle 24 ist in einem Wälzlager 17 und einem Gleitlager 18 gelagert. An ihrem aus der Gehäusehälfte 7b herausragendem Ende ist die Welle mit einer Riemenscheibe 19 für den Antrieb versehen. Der Antrieb erfolgt über einen mit dem Verbrennungsmotor 53 verbundenen Keilriemen 54. Auf der Welle 24 sind Gegengewichte 20 angeordnet zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Läufers entstehenden Massenkräfte. Die Führungswelle 27 ist innerhalb der Gehäusehälfte 7b in einem Gleitlager 28 eingelegt.

[0021] Um in den Totpunktlagen eine eindeutige Führung des Läufers zu erzielen, sind die beiden Exzenteranordnungen winkelgenau synchronisiert. Dies geschieht über einen Zahnriemenantrieb 16. Anlässlich des Betriebes sorgt der Doppelexzenterantrieb dafür, dass alle Punkte der Läuferscheibe und damit auch alle Punkte der beiden Leisten 3a, 3b eine kreisförmige Verschiebebewegung ausführen. Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherungen der Leisten 3a, 3b an die inneren und äusseren Zylinderwände der zugeordneten Förderkammern - wobei eine direkte gegenseitige Berührung infolge der verwendeten Materialien unschädlich ist - ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume, die während des Antriebs 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 entsprechend erhöht.

[0022] Im Teillastbetrieb wird die nicht benötigte Ladeluft unmittelbar aus dem Auslass 13 über das teilweise oder vollständig geöffnete Absperrorgan 56 in den Einlass 12 zurückgefördert.

[0023] Fig. 2 zeigt die Gehäusehälfe 7a mit der insbesondere aus wirtschaftlicher Sicht vorteilhaften Bypassanordnug. Die Gehäusehälfe ist in einer Druckgussform hergestellt, die ihrerseits aus zwei Formhälften besteht. Die Zugrichtung der Formhälften erfolgt in Richtung der Achse 15, die auch Mittelachse des Auslassgehäuses 14 ist. Erkennbar ist, dass die Mittelachse 58 des Klappengehäuses 55 parallel zur Achse 15 verläuft, demnach auch in Zugrichtung der Formhälften. Dadurch muss kein zusätzlicher Ziehkern für das Klappengehäuse eingebaut werden. Auch für die mechanische Bearbeitung kann für Auslass und Klappengehäuse mit Vorteil die gleiche Haupt-Bearbeitungsachse, welche ebenfalls parallel zur Zugrichtung verläuft, zugrundegelegt werden. Lediglich die Bearbeitung der Klappenwelle 59 erfordert eine zusätzliche Bearbeitungsachse.

[0024] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher sich - bei sonst gleicher Ausbildung der Gehäusehälfte 7a - die eigentliche Bypassleitung ausserhalb des Gehäusedeckels 57 befindet. Diese Variante kommt mit Vorteil zur Anwwendung, wenn ein Ladekuftkühler 60 stromabwärts der Spiralmaschine vorgesehen ist.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0025] 

1

Läufer

2

Scheibe

3a, 3b

Leiste

4

Nabe

5

Auge

6,

Durchtrittsfenster

7a, 7b

Gehäusehälfte

9

Steg

10

Steg

11a, 11b

Förderraum

12

Einlass

13

Auslass

14

Auslassgehäuse

15

Maschinenachse

16

Zahnriemenantrieb

17

Wälzlager für 24

18

Gleitlager für 24

19

Keilriemenscheibe

20

Gegengewicht an 24

21

Dichtung

22

Gleitlager für 23

23

Exzenterscheibe

24

Hauptwelle

25

Führungslager

26

Exzenterbolzen

27

Führungswelle

28

Gleitlager für 27

50

Filter

51

Ladeluftleitung

52

Ladeluftverteiler

53

Verbrennungsmotor

54

Keilriemen

55

Klappengehäuse

56

Absperrorgan

57

Gehäusedeckel

58

Mittelachse des Klappengehäuses 55

59

Klappenwelle

60

Ladekuftkühler

Ansprüche

1. Verdrängermaschine für kompressible Medien mit mehreren in einem feststehenden, zweiteiliegen Gehäuse (7a, 7b) angeordneten spiralförmigen Förderräumen (11a, 11b), welche von einem radial aussenliegenden Einlass (12a, 12b) zu einem radial innenliegenden Auslass (13) führen, und mit einem den Förderräumen zugeordneten Verdrängerkörper, im wesentlichen bestehend aus einer Scheibe (2) mit an beiden Seiten senkrecht angeordneten spiralförmigen Leisten (3a, 3b), wobei der exzentrisch angetriebene Verdrängerkörper während des Betriebes mit jedem seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt,
dadurch gekennzeichnet,
dass sowohl der Verdrängerkörper (2, 3a, 3b) als auch das Gehäuse (7a, 7b) aus einer gleichen Leichtmetall-Legierung, beispielsweise auf der Basis von Magnesium, besteht, dass das Gehäuse aus Druckguss gefertigt ist und dass in einem Gehäuseteil (7b) ein Gehäuse (55) für ein Absperrorgan (56) integriert ist.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im gleichen Gehäuseteil (7b), welches das Gehäuse (55) für das Absperrorgan (56) enthält, auch das Gehäuse (14) des Auslasses (13) für das geförderte Arbeitsmittel befindet.

3. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Mittelinie (58) des Gehäuses (55) parallel zur Mittellinie des Gehäuses (14) verläuft.

Zeichnung