Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der Drucklufterzeugung, insbesondere bei der ölfreien Drucklufterzeugung in Schienenfahrzeugen, sind infolge der großen, zu erzeugenden Luftmengen und der extrem rauen Bedingungen besondere Anforderungen an die Verdichtertechnik zu stellen. Selbst unter rauen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Schwingungen, Stöße, etc.) ist stetst volle Betriebsfähigkeit zu gewährleisten.
Aus der US 4,954,056 geht ein gattungsgemäßer Spiralverdichter hervor. Der Spiralverdichter ist mit zwei in einem Gehäuse angeordneten, ineinanderlaufenden Spiralen aufgebaut, deren für die Verdichtungswirkung erforderliche Relativbewegung zueinander durch eine gegenseitige Versetzung ihrer in Lagern geführten Rotationsachsen erzeugt wird, wobei die Spiralen in je einem Lager laufen.
Die erforderliche Zwangsführung beider Spiralen zueinander erfolgt hierbei über Kopplungsstifte, die einander gegenüberliegend je an einer Spirale angeordnet sind und über einen Verbindungsring miteinander gekoppelt sind.
Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass ein solcher Spiralverdichter für raue Umgebungsbedingungen - wie diese im Schienenfahrzeugbereich vorherrschen - nicht geeignet ist. Insbesondere bildet der Bereich der Zwangsführung beider Spiralen einen Schwachpunkt hinsichtlich der Belastbarkeit. Es kann bei extremer Belastung zu einem Bruch der Kopplungsstifte oder des Verbindungsringes kommen. Diese Teile würden dann in den Druckluftkreislauf gelangen.
In zunehmendem Maße wird im Bereich der Schienenfahrzeuge ölfreien Spiralverdichtern erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet, insbesondere um den Anfall ölhaltigen Kondensats zu vermeiden und um die Wartung zu vereinfachen. Grund der gegenüber heutigen handelsüblichen, ölfreien Spiralverdichtern im Schienenfahrzeugeinsatz stark zu vergrößernden Leistung (z. B. Ansaugvolumenstrom von ca. 1.600 l/min) und der damit verbundenen hohen Belastung des Spiralverdichters ist eine einfache Vergrößerung derartiger Verdichter nicht möglich, insbesondere im Hinblick auf die sehr hohen Axialkräfte, welche die Neigung besitzen, die Spiralen des Verdichters auseinanderzudrücken. Bei sogenannter einseitiger Spiralanordnung ist insbesondere die Abstützung derartiger Axialkräfte problematisch, da sehr große Lager erforderlich sind. Verschärft wird diese Problematik durch die geforderte ölfreie Verdichtung, aufgrund welcher die Reibleistung der Lager nur sehr schwer abführbar ist. Verdichter mit einseitiger Spiralanordnung wurden bis dato aus den vorgenannten Gründen im Schienenfahrzeugbereich als nicht einsetzbar angesehen.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei derartigen Spiralverdichtern der Aufwand für eine "Antirotationseinrichtung", welche die korrekte Relativstellung der beiden Spiralen sicherstellt, möglichst gering zu halten ist. Nach dem Stand der Technik wurde dazu i. allg. eine Oldham-Kupplung verwendet, die aber für größere Einheiten, sowie für ölfreie Verdichter relativ ungeeignet ist. Konventionelle Nebenexzenter bringen einen erheblichen Bauaufwand mit sich, insbesondere im Hinblick auf hohe Anzahl der benötigten Lager.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen vorzugsweise vollständig ölfrei arbeitenden Spiralverdichter mit einseitiger Spiralanordnung so auszugestalten, daß auch bei großem Ansaugvolumenstrom als auch bei großen Verdichtungsverhältnissen eine exakte Relativstellung der beiden Spiralen sichergestellt ist; insbesondere soll bei der zur Bildung der Verdichtungstaschen benötigten Relativbewegung beider Spiralen kein unnötiger, zum Verklemmen führender Reibungseingriff entstehen können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1.
Durch die Zwangsführung mit Hilfe der Stützrollen ist ein sogenannter "Antirotationsmechanismus" zwischen den Spiralen gegeben, d.h. dieser verhindert nicht die Rotation der Spiralen gegenüber dem Gehäuse, sondern eine Relativrotation beider Spiralen zueinander. Infolge der Versetzung der Achsen der beiden Wellen der Spiralen führen diese orbitierende Bewegungen zueinander aus, welche erforderlich sind, um die Saug- und Verdichtungstaschen zur Erzeugung der Druckluft entstehen zu lassen. Die Stützrollen sind somit in vorteilhafter Weise als Mitnehmer der einen Spirale gegenüber der anderen Spirale wirksam, gleichzeitig vermitteln sie infolge des Freiheitsgrades ihrer Abrollbewegung in der Bohrung die nötige Relativbewegung zur Bildung der Saug- und Drucktaschen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in weiteren Patentansprüchen aufgeführt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Figur 1 der Zeichnung ist eine Schnittansicht des Spiralverdichters nach der Erfindung; und
Figur 2 ist eine vergrößerte Einzelschnittdarstellung einer der Stützrollen innerhalb der im Druckkranz eingelassenen Bohrung.
In Figur 1 der Zeichnung ist ein mit einer einseitigen Spiralanordnung versehener Spiralverdichter 1 dargestellt. Dieser ist mit einem Gehäuse 3 versehen, in welchem zwei ineinandergreifende Spiralen laufen, nämlich eine mittels einer Welle 5 angetriebene Spirale 7 und eine durch die Spirale 7 geschleppte Spirale 9. Die beiden Spiralen führen jeweils eine reine Rotationsbewegung aus; durch die rein rotatorische Bewegung der Spiralen treten keine Unwuchtkräfte auf, sofern die Spiralen jeweils in sich ausgewuchtet sind.
Die für eine Verdichtungswirkung erforderliche, orbitierende Relativbewegung beider Spiralen zueinander wird erzeugt, indem die Rotationsachsen 11 und 13 beider Spiralen einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Fernerhin ist die geschleppte Spirale 9 von einem Druckkranz 15 umgriffen, welcher mit der angetriebenen Spirale 7 (über nicht dargestellte Befestigungsmittel) fest verschraubt oder auf sonstige Weise verbunden ist. Um die Funktion des sogenannten "co-rotating"-Prinzips beider Spiralen zu gewährleisten, d.h. um jederzeit die korrekte Relativstellung der beiden Spiralen zueinander sicherzustellen, wirkt zwischen den beiden Spiralen ein "Antirotationsmechanismus" in Form einer Zwangsführung, welche aus drei von der geschleppten Spirale 9 getragenen Stützrollen 17 besteht, die in unter gleichem Winkelabstand zueinander angeordneten Bohrungen 19 im Druckkranz 15 laufen. Demnach sind drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander angeordneten Stützrollen drei unter gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Bohrungen 19 zugeordnet. Da sich der Druckkranz 15 mit der angetriebenen Spirale 7 dreht, nimmt dieser mittels der Wandungen der Bohrungen und die Stützrollen 17 die Spirale 9 mit, d.h. diese wird geschleppt, wobei die beiden Spiralen infolge der Versetzung der Rotationsachsen 11 und 13 innerhalb des Freiheitsgrades der Bohrungen "orbitierende" Bewegungen zueinander ausführen. Diese orbitierenden Bewegungen der Spiralen zueinander erzeugen zwischen diesen im Volumen sich verändernde Spiraltaschen, welche zur Verdichtung des über den Ansaugkanal 21 angesaugten Gas- bzw. Luftvolumens beitragen. Die verdichtete Luft wird durch eine im Zentrum der Spirale 9 liegende Axialbohrung 23 und einen Druckstutzen 25 aus dem Verdichtungsraum 27 ausgeschoben. Die angetriebene Welle 5 der Spirale 7 läuft in einem Lager 29, während die Welle 31 der geschleppten Spirale 9 in einem Lager 33 läuft.
In Figur 2 ist in vergrößerter Einzelschnittansicht eine der Stützrollen 17 innerhalb der sie führenden Bohrung 19 dargestellt. Die Bohrung 19 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Führungsring ausgebildet, derart, daß eine Stahlbüchse 20 zur möglichst verschleißfreien Auflage der Stützrolle vorgesehen ist. Um geringe thermische Dehnungen verspannungsfrei aufzunehmen können die Stützrollen an ihrem Außenumfang eine elastische Kunststoffhülse (nicht dargestellt) tragen oder sie können kunststoffbeschichtet sein. Die Befestigung der Stützrollen an der Spirale 9 ist im in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Schrauben 22 vorgesehen, welche in einfacher Weise einen Austausch der Stützrollen ermöglichen.
Bei einem Spiralverdichter der vorstehend beschriebenen einseitigen Spiralenanordnung ist es bei komplett ölfreiem Lauf erwünscht, ein großes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, ohne daß es infolge der daraus resultierenden Axialkräfte an den Spiralen zu einer zu starken Belastung der Lager kommt. Um diesem Problem zu begegnen, ist eine Vorrichtung zur Axialkraftkompensation vorgesehen. Diese Vorrichtung besteht aus Druckkammern 35, welche zwischen der Innenseite des Druckkranzes 15 und einer auf der Rückseite der Spirale 9 angebrachten Ringscheibe 37 vorgesehen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Druckkammern 35 um die sehr niedrigen Volumina, welche jeweils zwischen der Ringscheibe 37 und der zugewandten Innenfläche des Druckkranzes 15 bestehen. Die Größe und die Formgebung der Druckkammern ist durch trockenlaufende Dichtungen 39 bestimmt, welche die Druckkammern gegenüber Außenluft d.h. gegenüber dem Außenluftvolumen zwischen Kühllufteintritt 40 und Kühlluftaustritt 41 der Spirale 9 abdichten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind unter gleichem Winkelabstand von 120° zueinander jeweils zwischen den Bohrungen 19 befindlich drei Druckkammern 35 vorgesehen, welche jeweils über Bohrungen 43 mit Druckluft aus den Verdichtungstaschen 45 der Spiralen versorgt werden.
Bei Betrieb des Spiralverdichters baut sich infolge der vorstehend beschriebenen Druckversorgung der Druckkammern 35 in diesen ein Druck auf, welcher die beiden Spiralen einander zugewandt drückt, da der Druckkranz 15 mit der Spirale 7 verbunden ist und die Ringscheibe 37 im rückwärtigen Bereich der Spirale 9 von dieser getragen wird, z.B. durch mit der Spirale 9 verbundene, radiale Kühlrippen 47 bzw. durch die Lagerzapfen der Stützrollen 17, welche unter Winkelabstand zueinander die Ringscheibe 37 durchsetzen, wie in der oberen Schnitthälfte der Zeichnung ersichtlich ist. Da die Spiralen 7 und 9 mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Axialkraftkompensation bei gleichzeitiger Zwangsführung aufeinander zugewandt gedrückt werden, werden die Lager 29 und 33 in gleichem Maße von Axialkräften entlastet, weshalb ölfrei arbeitende Spiralverdichter der beschriebenen Art auch mit großem Verdichtungsverhältnis bei großem Ansaugvolumen arbeiten können.
Außer der vorgenannten Kühlluftanordnung für die Spirale 9 ist auch an der Spirale 7 ein entsprechendes Kühlsystem vorgesehen, d.h. es besteht ein Kühllufteintritt 49 und ein Kühlluftaustritt 51; desweiteren sind mit der Spirale 7 verbundene, radiale Kühlrippen 53 vorgesehen.