Rotierender Spirallader für kompressible Medien

Abstract

 Ein rotierender Spirallader für kompressible Medien besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse (1), in dem zwei symmetrisch aufgebaute Verdrängerscheiben (6,7) mittels Antriebselementen (18-23) drehbar angeordnet sind. Die beiden Verdrängerscheiben sind jeweils an einer Seite mit spiralförmig verlaufenden Rip­pen (14) versehen. Zwecks Bildung eines Förderraumes (15) grei­fen die Rippen ineinander ein und dichten mit ihren freien Stirnseiten (24) gegen die gegenüberliegende Verdrängerscheibe. Zur Aufrechterhaltung der Dichtwirkung ist eine Druckkammer (26) vorgesehen, die mit dem Auslass (16) des Laders kommuni­ziert und über die eine axial verschiebbare Ringscheibe (28) beaufschlagbar ist, welche in Wirkverbindung mit einer axial verschiebbar ausgebildeten Verdrängerscheibe (6) steht. Die Druckkammer (26) ist über ein Ventil (32) mit der Atmosphäre verbindbar.

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft einen rotierenden Spirallader für kom­pressible Medien, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse, in dem zwei symmetrisch aufgebaute Verdrängerscheiben mittels Antriebselementen drehbar angeordnet sind,
- wozu die Verdrängerscheiben lose auf im Gehäuse angeordneten Achsstummeln aufgezogen sind, deren Längsachsen gegeneinander versetzt sind,
- bei welchem Lader die beiden Verdrängerscheiben jeweils an einer Seite mit spiralförmig verlaufenden Rippen versehen sind, welche zwecks Bildung eines Förderraumes ineinandergreifen und mit ihren freien Stirnseiten gegen die gegenüberliegende Ver­drängerscheibe dichten,
- und bei dem zwecks Aufrechterhaltung der Dichtwirkung eine Druckkammer vorgesehen ist, die mit dem Auslass des Laders kom­muniziert und über die eine axial verschiebbare Ringscheibe be­aufschlagbar ist, welche in Wirkverbindung mit einer ebenfalls axial verschiebbaren Verdrängerscheibe steht.

Stand der Technik

[0002] Ein Spirallader mit rotierenden Verdrängerscheiben ist aus der DE-C-2603462, Fig.5 bekannt. Er zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeits­mittels aus und kann daher mit Vorteil für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen verwendet werden. Während des Betriebes eines solchen Verdichters werden entlang des Förderrraumes zwischen den spiralförmig ausgebildeten Rippen mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen. Diese bewegen sich von einem Einlass hindurch zu einem Auslass, wobei sich ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird. Bei diesen Spiralladern ist die Fördermenge bei gegebenem Liefergrad sowie der maximale Lade­druck durch die Antriebsübersetzung festgelegt, zumal das in­nere Druckverhältnis durch die gewählte Spiralgeometrie fest vorgegeben ist. Wenn eine starre Antriebsverbindung zwischen dem Spiralverdichter und der antreibenden Brennkraftmaschine vorgesehen ist, fördert also der Lader auch noch in solchen Be­triebszuständen, in denen eine Aufladung nicht erforderlich ist, beispielsweise bei Teillast oder sogar im Leerlauf. Es würden somit Leistungsverluste entstehen und möglicherweise ungünstige Temperaturerhöhungen, wenn das geförderte Arbeits­mittel entspannt und wieder in den Einlass des Laders zurück­geführt würde.

[0003] Im Gegensatz zum eingangs erwähnten Lader ist bei dieser be­kannten Maschine nur eine Verdrängerscheibe auf einem Achs­stummel gelagert. Die zweite Scheibe ist drehfest mit einer Antriebswelle verbunden. Anlässlich der Drehung der ersten Scheibe wird die zweite Scheibe im gleichen Drehsinn und mit der gleichen Drehgeschwindigkeit mitgenommen. Beide Scheiben führen dabei eine Relativbewegung in Form einer Kreisverschie­bung aus.

[0004] Ein Lader der eingangs genannten Art ist bekannt aus der CH-A-­501 838. Es handelt sich dort bei der in den Fig.8 und 9 ge­ zeigten Variante um eine zweigängige, einstufige Maschine, bei der die beiden beweglichen Verdrängerscheiben lose auf fest­stehenden exzentrischen Achsen angeordnet sind. Eine der Achsen ist hohl ausgebildet zwecks Herausführung des zu fördernden Arbeitsmittels aus der Maschine. An ihrem Umfang sind die Ver­drängerscheiben mit Zahnkränzen versehen, in welche ein ge­meinsames, auf einer Antriebswelle angeordnetes Zahnrad ein­greift.

[0005] Diese mehrgängigen Maschinen weisen den Vorteil auf, dass zum einen jede Verdrängerscheibe für sich vollkommen ausgewuchtet ist und zum andern, dass ein gleichmässigeres, nahezu pulsati­onsfreies Fördern möglich ist. Ausserdem ist die radiale Ver­schiebung der beiden Scheiben und damit die Exzentrizität zwi­schen den beiden Drehachsen kleiner als bei eingängigen Ma­schinen, was zu kleineren Gleitgeschwindigkeiten zwischen den spiralförmigen Rippen führt. Im Prinzip können deshalb mit dieser Art von Ladern höhere Drehzahlen gefahren werden.

[0006] Eine weitere Variante dieses Arbeitsprinzips ist in den Fig.5 und 6 dieser gleichen Druckschrift gezeigt. Bei dieser Maschine ist ebenfalls eine der beiden Scheiben mit einer zentralen Antriebswelle verbunden. Bei Drehung dieser einen Scheibe wird mittels Kraftübertragung über die spiralförmige Rippen die zweite Scheibe im gleichen Drehsinn mitgenommen. Um den axialen Druck in den zwischen den Scheiben gebildeten Arbeitsräumen auszugleichen, ist eine an der Rückseite einer der Scheiben fest anliegende, axial bewegliche Ringscheibe vorgesehen. Ueber eine Druckausgleichkammer, welche mit dem Maschinenauslass verbunden ist und eine Scheibenfeder drückt die Ringscheibe die beiden Verdrängerscheiben zusammen. Von Nachteil ist bei dieser Anordnung, dass die Ringscheibe gegen das Gehäuse abgedichtet werden muss, was nur am äussern Umfang bei grossem Durchmesser und somit hohen Gleitgeschwindigkeiten vorgenommen werden kann. Zudem ist nicht vorgesehen, diese Druckausgleichkammer, die sich zwischen Ringscheibe und Gehäuse befindet, zu entlasten. Diese Massnahme wäre überdies zwecklos, da über die Scheibenfe­der eine stetige Anpresskraft ausgeübt wird.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spirallader der eingangs genannten Art abschaltbar zu gestalten, d.h die Förde­rung des Arbeitsmittels zumindest weitgehend zu unterbinden.

[0008] Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Druckkammer über ein Ventil mit der Atmosphäre verbindbar ist.

[0009] Damit ist ein einfaches Mittel geschaffen, über eine Betriebs­grösse oder über eine Prozessgrösse die Druckkammer zu entla­sten, wodurch der Axialdruck die Dichtwirkung innerhalb des Förderraumes aufhebt und der Fördervorgang zum Erliegen kommt.

[0010] Es ist besonders zweckmässig, wenn im Innenraum des Gehäuses die Ringscheibe an ihrem Aussendurchmesser mit einem Balg gegen das Gehäuse dichtet und wenn der Einlass vom Auslass durch eine Lippendichtung getrennt ist, die von der feststehenden Nabe der Ringscheibe gegen die rotierende Nabe der axial beweglichen Verdrängerscheibe wirkt. Hierbei ist von Vorteil, dass grosse Gleitgeschwindigkeiten an der radialen Dichtlippe erreichbar sind, da letztere sich auf dem kleinstmöglichen Durchmesser befindet.

[0011] Zum Drehen beider Verdrängerscheiben ist eine Antriebswelle mit auswechselbarem Zahnriemengetriebe ausserhalb der Verdrän­gerscheiben angeordnet, wobei Riemenscheiben mit den Naben der Verdrängerscheiben drehfest verbunden sind. Durch diese nicht­zentrische Antriebsart bleibt der Innenraum der Verdränger­scheiben frei und das geförderte Medium kann ungehindert über einen hohlen Achsstummel ausströmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0012] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig.1 einen Längsschnitt durch einen Spirallader;

Fig.2 einen Querschnitt gemäss Linie A-A in Fig. 1.

[0013] Die zweigängige, einstufige Maschine ist in etwa natürlicher Grösse dargestellt. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits ge­nannte CH-A-501 838 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis der Erfindung notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.

[0015] In den Figuren ist mit 1 das aus zwei Hälften zusammengesetzte Gehäuse bezeichnet. Die zwei Hälften sind über nicht darge­stellte Befestigungsaugen zur Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbunden. Beidseitig sind in den Gehäusehälften Achsstummel 2 resp. 3 angeordnet, die in das Gehäuseinnere hineinragen. Die Längsachsen 4 resp. 5 der 2 Achsstummel sind um die Exzentrizität e gegeneinander versetzt. Lose aufgesetzt auf diese Achsstummel sind die drehbaren Verdrängerscheiben 6 und 7. Die Nabe 9 der rechten Verdrängerscheibe 7 ist mittels zwei Kugellagern 11 auf dem Achsstummel 3 gelagert und axial gesichert. Die linke Verdrängerscheibe 6 ist axial verschiebbar ausgebildet. Hierzu ist ihre Nabe 8 über zwei als Traglager wirkende Nadellager 10 auf dem Achsstummel 2 lose aufgezogen. Im Bereich dieser Nadellager ist der Achsstummel 2 geschliffen, da er Lauffläche für die Nadeln bildet. Diese Konfiguration bedarf eines zusätzlichen Axiallagers 12, über das Kräfte auf die Nabe 8 übertragen werden können.

[0016] Die Verdrängerscheiben 6 und 7 sind symmetrisch aufgebaut. Sie bestehen im wesentlichen aus je einer ebenen Platte 13, die im montierten Zustand parallel zueinander verlaufen sowie aus Rippen 14, die senkrecht auf der jeweiligen Platte 13 gehalten sind. Diese Rippen 14 verlaufen spiralförmig (Fig.2), d.h. sie können entweder klassische Spiralen sein oder aber aus mehreren aneinander anschliessenden Kreisbögen zusammengesetzt sein

[0017] Im gezeigten Fall weisen die Rippen 14 eine Bogenlänge von anderthalb Windungen auf, was der Maschine die Bezeichnung "einstufig" einträgt. Jede Platte 13 ist mit zwei solcher Rip­pen 14 bestückt, wobei die Rippen um 180° zueinander versetzt sind. Dies führt zur Bezeichnung "zweigängig". Bei solchen zweigängigen Maschinen sind vier parallele Arbeitsräume 15 ge­bildet, die den eigentlichen Förderraum darstellen. Anlässlich des Betriebes öffnen sich diese Arbeitsräume im Abstand von 1/4-Umdrehung gegen den Auslass 16. Am äusseren Durchmesser öffnen die Spiralen gegen den Einlass 17, aus dem sie Frisch­luft ansaugen.

[0018] Der Antrieb des Systems erfolgt über eine Antriebswelle 18, die mittels Kugellagern 19 im Gehäuse 1 ausserhalb der Verdränger­scheiben gelagert ist. Auf dieser Welle sitzen Riemenscheiben 20, die über Zahnriemen 21 jeweils die Riemenscheiben 22 und 23 antreiben, welche ihrerseits mit den Naben 8 resp. 9 der Ver­drängerscheiben drehfest verbunden sind.

[0019] Anlässlich der Drehbewegung öffnen die Spiralen gegen den Einlass 17, aus dem sie Frischluft ansaugen. Infolge der mehr­fachen, abwechselnden, gegenseitigen Annäherung der Rippen 14 ergeben sich die sichelförmigen Arbeitsräume 15, die durch die Spiralen hindurch vom Einlass 17 in Richtung Auslass 16 ver­schoben werden. Das derart geförderte Arbeitsmittel wird an­schliessend durch den hohl ausgebildeten Achsstummel 2 aus dem Lader herausgeführt.

[0020] Es versteht sich, dass für eine ordentliche Funktionsweise nicht nur die radiale Dichtung zwischen den Rippen 14 - d.h. das Abschliessen der Arbeitsräume 15 in Umfangsrichtung - wich­tig ist. Auch die axiale Dichtigkeit der Förderräume 15 ist von Bedeutung. Hierzu müssen die Rippen 14 mit ihren Stirnseiten 24 an der Platte 13 der gegenüberliegenden Verdrängerscheibe an­liegen. Dies geschieht in der Regel durch Dichtstreifen 25, welche in entsprechenden Nuten in den Stirnseiten 24 der Rippen einliegen. Da der gegen das Spiraleninnere zunehmende Druck die Tendenz hat, die beiden Verdrängerscheiben aus­einanderzudrücken, müssen Gegenmassnahmen getroffen werden.

[0021] Zwischen der axial verschiebbaren Verdrängerscheibe 6 und der Gehäusewandung wird deshalb eine Druckkammer 26 gebildet, die vom Druck des Arbeitsmittels im Auslass 16 beaufschlagt ist. Hierzu ist der hohle Achsstummel 2 über ein Entnahmerohr 27 mit der Druckkammer 26 verbunden. Der Druck in der Kammer wirkt auf eine Ringscheibe 28, die mittels Balg 29 am Gehäuse 1 mit ge­eigneten Mitteln luftdicht befestigt ist.

[0022] Anlässlich einer druckbedingten axialen Verschiebung gleitet die Ringscheibe 28 mit ihrer Nabe 30 auf dem Achsstummel 2. Dabei verschiebt sie den anliegenden inneren Käfig des Axial­lagers 12. Ueber die Kugeln dieses Lagers 12 wird die ver­schiebbare Nabe 8 der Verdrängerscheibe 6 bis zum Anschlag der Rippen 14 an den jeweils gegenüberliegenden Platten mitgenom­men.

[0023] Auf die den Verdrängerscheiben zugekehrte Rückseite der Ring­scheibe 28 wirkt jener Druck, der im Einlass 17 herrscht, d.h. der Atmosphärendruck. Es ist somit zu erkennen, dass man über die blosse Dimensionierung der aktiven Ringscheibenfläche ein einfaches Mittel in der Hand hat, um die Anpresskraft der Rip­pen gegen die Platten zu bestimmen. Allerdings muss hierzu der Einlass vom Auslass druckmässig getrennt werden, da beide über die Lager 10 und 12 kommunizieren. Dies wird über eine Lippen­dichtung 31 bewerkstelligt, die zwischen der feststehenden Nabe 30 der Ringscheibe 28 und der rotierenden Nabe 6 der Verdrän­gerscheibe 6 wirkt. Mit Vorteil ist die Dichtung 31 rotierend eingebaut, so dass ihre Lippe auf dem kleinstmöglichen Durch­messer gegen die stehende Ringscheibennabe dichtet.

[0024] Zur Entlüftung der Druckkammer 26 ist in die Gehäusewandung ein Ventil 32 eingeschraubt. Dieses kann entweder manuell betätigt werden, oder aber es öffnet uns schliesst selbsttätig über eine motorspezifische oder laderspezifische Kenngrösse. Oeffnet das Ventil 32, so gelangt Atmosphärendruck in die Druckkammer 26 und auf beiden Seiten der Ringscheibe 28 herrscht Druckgleich­heit. Der Innendruck im Auslass 16 verschiebt die Funktionsein­heit Verdrängerscheibe 6 mit Nabe 8 / Axiallager 12 / Ring­scheibe 28 nach links. Da die Dichtstreifen 25 in der Regel fest in den Nuten der Stirnseiten 24 eingelegt sind (und nicht federunterstützt sind), wird bei der geringsten Verschiebung die axiale Dichtwirkung aufgehoben, was den Druckaufbau inner­halb der Spiralen und den Fördervorgang unterbricht.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1 Gehäuse

2, 3 Achsstummel

4, 5 Längsachsen

6, 7 Verdrängerscheibe

8, 9 Nabe

10 Nadellager

11 Kugellager

12 Axiallager

13 Platte der Verdrängerscheibe

14 Rippe der Verdrängerscheibe

15 Arbeitsraum, Förderraum

16 Auslass

17 Einlass

18 Antriebswelle

19 Kugellager für 18

20 Riemenscheibe

21 Zahnriemen

22, 23 Riemenscheibe auf 8, 9

24 Stirnseite von 14

25 Dichtstreifen in 24

26 Druckkammer

27 Entnahmerohr

28 Ringscheibe

29 Balg

30 Nabe von 28

31 Lippendichtung

32 Ventil

Ansprüche

1. Rotierender Spirallader für kompressible Medien, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse (I), in dem zwei symmetrisch aufgebaute Verdrängerscheiben (6,7) mittels An­triebselementen (18-23) drehbar angeordnet sind,
- wozu die Verdrängerscheiben (6,7) lose auf im Gehäuse angeordneten Achsstummeln (2,3) aufgezogen sind, deren Längs­achsen (4,5) gegeneinander versetzt sind,
- bei welchem Lader die beiden Verdrängerscheiben jeweils an einer Seite mit spiralförmig verlaufenden Rippen (14) versehen sind, welche zwecks Bildung eines Förderraumes (15) ineinander­greifen und mit ihren freien Stirnseiten (24) gegen die gegen­überliegende Verdrängerscheibe dichten,
- und bei dem zwecks Aufrechterhaltung der Dichtwirkung eine Druckkammer (26) vorgesehen ist, die mit dem Auslass (16) des Laders kommuniziert und über die eine axial verschiebbare Ring­scheibe (28) beaufschlagbar ist, welche in Wirkverbindung mit einer ebenfalls axial verschiebbaren Verdrängerscheibe (6) steht,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (26) über ein Ventil (32) mit der Atmosphäre verbindbar ist.

2. Spirallader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Gehäuses die Ringscheibe (28) an ihrem Aussendurchmesser mit einem Balg (29) gegen das Gehäuse (1) dichtet und dass der Einlass (17) vom Auslass (16) durch eine Lippendichtung (31) getrennt ist, die von der feststehenden Nabe (30) der Ringscheibe (28) gegen die rotierende Nabe (8) der axial beweglichen Verdrängerscheibe (6) wirkt.

3. Spirallader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Drehen beider Verdrängerscheiben eine Antriebswelle (18) mit auswechselbarem Zahnriemengetriebe (20-23) ausserhalb der Verdrängerscheiben angeordnet ist, wobei Riemenscheiben (22,23) mit den Naben (8,9) der Verdrängerscheiben drehfest verbunden sind.

Zeichnung