DE3312280C2

DE3312280C2 -

Info

Publication number: DE3312280C2
Application number: DE3312280A
Authority: DE
Inventors: Masao Shimizu Jp Shiibayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1983-04-05
Publication date: 1989-07-27
Also published as: KR840004480A; JPS58172404A; KR880000832B1; US4494914A; DE3312280A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der EP-00 10 402 A1 ist ein Spiralkompressor bekannt, dessen ineinandergreifende Spiralwände zwei parallel arbeitende Kompressionskammern aufweisen. Bei diesem bekannten Spiralkompressor ist zur Verringerung des Gehäusedurchmessers die Stirnplatte des Umlaufspiralelements außermittig angeordnet, die Stirnplatte des Umlaufspiralelements hat einen Durchmesser von 2 r+R, wobei r der Abstand zwischen der Mitte des Grundkreises der Spiralwand und dem äußeren Ende der Spiralwand ist, während R die Länge des Kurbelarms bedeutet. Die Mitte der Stirnplatte des Umlaufspiralelements ist umd R/2 von der Mitte des Grundkreises der Spiralwand in eine Richtung verschoben, die zur Richtung des äußersten Endes der Spiralwand von der Mitte des Grundkreises entgegengesetzt ist. Die Mitte des Gehäuses ist umd R/2 von den Mitten der Grundkreise der Spiralwände der Spiralelemente in Richtung des äußersten Endes der Spiralwände verschoben, wodurch der Durchmesser des Gehäuses verringert wird. Bei dem bekannten Spiralkompressor fehlt eine zur Stirnplatte konzentrische Wand der Ansaugkammer.

Eine Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise, die eine zur zugehörigen Stirnplatte konzentrische Wandfläche der Ansaugkammer aufweist, ist aus der DE-OS 31 09 301 bekannt und wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 in Aufbau und Wirkungsweise beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 einen Querschnitt des Kompressorabschnitts der bekannten Rotationskolbenmaschine, wobei sich die zugehörigen Spiralwände in einer ersten Stellung und in Fig. 2 in einer zweiten Stellung befinden. Fig. 3 zeigt die ineinandergreifenden Spiralelemente der bekannten Rotationskolbenmaschine in einer Einzelheit im Längsschnitt, während Fig. 4 eine Draufsicht auf das Umlaufspiralelement ist.

Die in Fig. 1 bis 4 in Teilen gezeigte Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise hat ein ortsfestes Spiralelement 1 und ein Umlaufspiralelement 2, von denen jedes eine scheibenförmige Stirnplatte 1 a bzw. 2 a und eine axial davon abstehende Spiralwand 1 b bzw. 2 b aufweist, die unter Bildung von Kompressionskammern 4 a, 5 a, 4 b und 5 b ineinandergreifen. Ferner ist eine Ansaugkammer 3 vorgesehen, die eine Wandfläche 1 d in Form eines zur Stirnplatte 1 a konzentrischen Kreisbogens hat. Die Ansaugkammer 3 hat an ihren Enden jeweils einen Ansaugkanal 3 a, 3 b für eine Verbindung mit den Kompressionskammern 4 a und 4 b. Die Spiralwände 1 b und 2 b sind so angeordnet, daß die Mitten der Stirnplatten 1 a, 2 b der beiden Spiralelemente 1, 2 mit den Mitten der Grundkreise der jeweiligen Spiralwände 1 b, 2 b übereinstimmen.

Wenn die bekannte Rotationskolbenmaschine als Spiralkompressor für eine Kühlvorrichtung arbeitet, wird durch die Ansaugöffnung 7 am äußeren Umfangsabschnitt 1 c der Stirnplatte 1 a des ortsfesten Spiralelements 1 gasförmiges Kältemittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck in die Ansaugkammer 3 gesaugt, die außerhalb eines äußeren Umfangsabschnitts des Umlaufspiralelements 2 ausgebildet ist. Fig. 1 zeigt die beiden Spiralelemente 1 und 2 in den jeweiligen Arbeitsstellungen, wenn der Ansaugvorgang abgeschlossen ist.

Das Umlaufspiralelement 2 bewegt sich dann bei seiner Umlaufbewegung, während der es durch einen nicht gezeigten Oldham-Kupplungsmechanismus an einer Eigenrotation gehindert wird, derart, daß sich die Volumina der von den beiden Spiralelementen 1 und 2 gebildeten Kompressionskammern 4 a und 4 b allmählich verringern, wodurch das gasförmige Kältemittel zu den Mittenabschnitten der beiden Spiralelemente 1 und 2 hin verschoben wird, wobei seine Temperatur und sein Druck ansteigen, ehe die Abgabe über eine zentrale Abgabeöffnung 8 nach außen erfolgt.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat der Ansaugkanal 3 a eine große Fläche. Der andere Ansaugkanal 3 b, auf welchem ein äußerer Stirnrandabschnitt der ortsfesten Spiralwand 1 b und ein äußerer Stirnrandabschnitt A der Umlaufspiralwand 2 b ineinandergreifen, hat eine sich während der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 2 wiederholend zunehmende und abnehmende Fläche.

Wenn also die Fläche des Ansaugkanals 3 b verringert wird, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, tritt ein Druckverlust auf. Wenn jeweils die Fläche der Ansaugkanäle 3 a und 3 b verringert wird, weisen sie Spalte g₁ bzw. g₂ auf, wie dies aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist. Die äußerste Wandfläche 1 d der Nut der ortsfesten Spiralwand 1 b, die die Saugkammer 3 mit den Ansaugkanälen 3 a und 3 b bildet, hat eine Kreisbogenform und ist konzentrisch zur Mitte der Stirnplatte 1 a, die mit der Mitte O _f des Grundkreises der ortsfesten Spiralwand 1 b übereinstimmt. Bei diesem Aufbau läßt sich die Abmessung D _si der äußersten Wandfläche 1 d der Nut, die die Ansaugkammer 3 bildet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, durch folgende Gleichung aus drücken:

D _si = 2 (a λ _l + ε + g₂) (1)

wobei D _si der Innendurchmesser der Ansaugkammer 3 , a der Radius des Grundkreisen der Spiralwand, λ _l der Spiralwandwinkel bzw. der Evolventenwinkel am Ende der Spiralwand, ε der Radius der Umlaufbewegung und g₂ der minimale Spalt zwischen der gebogenen Wandfläche 1 d und der Seitenwand der Umlaufspiralwand 2 b sind.

Die Form der Ansaugkammer 3 oder der Außendurchmesser D _fo des ortsfesten Spiralelements 1 werden aus Gleichung (1) erhalten. Wenn also das Profil, beispielsweise die Abmessungen a, λ _l und ε aus Gleichung (1) der Spiralwand festgelegt ist, ergibt sich, daß der Wert von g₂ aus Gleichung 1 kleiner sein muß, wenn die Gesamtgröße des ortsfesten Spiralelements 1, also die Abmessung D _fo von Fig. 3, verringert werden soll. Wenn jedoch der Wert von g₂ verringert wird, wird der Druckverlust im Ansaugkanal 3 b immer bedeutsamer, wodurch die Leistung des Spiralkompressors verringert wird.

Fig. 3 zeigt nun im Schnitt den Abschnitt des Spiralkompressors, der den Ansaugkanal 3 b enthält. Man sieht, daß der Ansaugkanal 3 b zwischen einer Seiten Wandfläche eines äußeren Randabschnitts 2 b′ der Umlaufspiralwand 2 b und einer Seitenwandfläche des äußeren Umfangsabschnitts 1 c des ortsfesten Spiralelements 1 einer Größenänderung unterliegt, wenn das Umlaufspiralelement 2 seine Umlaufbewegung ausführt. Unter Verwendung des minimalen Spaltes g₂ kann nach Gleichung (2) ein maximaler Spalt l erhalten werden:

l=g₂+2 ε (2)

wobei ε der Radius der Umlaufbewegung ist.

Somit kann die Fläche des Ansaugkanals durch Multiplizieren des vorstehend beschriebenen Spaltes mit der Höhe h der Spiralwände erhalten werden. Die Fläche des Ansaugkanals 3 b unterliegt ebenfalls einer Größenänderung, wenn das Umlaufspiralelement 2 seine Umlaufbewegung ausführt, und zwar genauso wie der Spalt. Inzwischen kann im Ansaugkanal 3 a der Spalt, dessen Minimalwert g₁ ist und der den Ansaugkanal bildet, jederzeit auf einem großen Wert gehalten werden, und zwar unabhängig von der Umlaufbewegung des Umlauf spiralelements 2.

Der Unterschied zwischen den minimalen Spalten g₁ und g₂ der Ansaugkanäle 3 a und 3 b ergibt sich daraus, daß das ortsfeste Spiralelement 1 wie in Fig. 1 gebaut ist, nämlich daß die Mitte der gekrümmten Oberfläche 1 d der Saugkammer 3 mit der Mitte O _f des Grundkreises der Spiralwand 1 b übereinstimmt. Bei der herkömmlichen Rotationskolbenmaschine stimmen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Mitte der Stirnplatte 1 a, die Mitte O _f des Grundkreises der Spiralwand 1 b und die Mitte der gekrümmten Oberfläche 1 b der Saugkammer 3 gewöhnlich überein. Bei dem Umlaufspiralelement 2 stimmen die Mitte der Stirnplatte 2 a mit der Mitte O _m des Grundkreises der Spiralwand 2 b überein.

Es soll nun die Beziehung zwischen den Spalten g₁ und g₂ weiter erläutert werden. Wenn der Außendurchmesser der Stirnplatte 2 a des Umlaufspiral elements 2 D _so′, der Radius des Grundkreises des Umlaufspiralelements 2 b gemäß Fig. 4"a" und der Spiralwinkel des Umlaufspiralelements 2 b, der dem Evolventenwinkel entspricht, wenn die Spiralwand eine Evolventkurve bildet, λ _l ist, können mit dem Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser der Abstand L₁ zwischen einem Punkt A am äußersten Stirnrandabschnitt der Spiralwand 2 b und einem Punkt E am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 2 a und der Abstand L₂ zwischen einem Punkt B, der in Umfangsrichtung von einem Punkt A um 180° versetzt ist, und einem Punkt F am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 2 a durch folgende Gleichungen (3) und (4) ausgedrückt werden:

Aus den Gleichungen (3) und 4) ergibt sich die folgende Gleichung (5):

L₂=L₁+a π (5)

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sind der Punkt A am äußeren Stirnrandabschnitt der Umlaufspiralwand 2 b und der Punkt B, der im wesentlichen symmetrisch zum Punkt A ist, an den Saugkanälen 3 a bzw. 3 b positioniert. Somit kann die Differenz zwischen dem Minimumspalt g₁ des Saugkanals 3 a und dem Minimumspalt g₂ des Saugkanals 3 b im wesentlichen als Differenz zwischen den Abständen L₁ und L₂ ausgedrückt werden, wie sie in Gleichung (5) gezeigt sind. Nach Gleichung (1) gilt:

D _si = 2 (a λ _l+e+g₂).

Durch Einsetzen von g₁ erhält man Gleichung (1′) zu

D _si = 2a ( λ _l-π)+ε+g₁.

Aus Gleichung (1) und (1′) ergibt sich die Differenz zwischen den Spalten g₁ und g₂ zu a π. Wenn der Unterschied zwischen den Spalten g₁ und g₂ mit Δ g bezeichnet wird, läßt sich dieser Wert durch folgende Gleichung (6) ausdrücken:

Δ g=g₁-g₂=L₂-L₁=a π (6)

Bei dem bekannten Spiralkompressor, bei welchem die Mitten der Stirnplatten 1 a und 2 a des ortsfesten Spiralelements 1 und des Umlaufspiralelements 2 mit den Mitten der Grundkreise der Spiralwände 1 b bzw. 2 b in der beschriebenen Weise übereinstimmen, ist der Wert der Spalte g₁ und g₂, die an den Saugkanälen 3 a bzw. 3 b gebildet werden, voneinander verschieden. Aufgrund dieser Differenz verursachen zusätzlich dazu, daß ein Kältemittelgasstrom zu den Ansaugkanälen 3 a und 3 b einen Reibungsverlust zwischen dem Kältemittelgas und den Wandflächen der Ansaugkanäle herbeiführt, eine Änderung der Fläche der Kanäle aufgrund der Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements und eine Änderung in der Form beispielsweise Krümmung, einen Druckverlust und eine Druckänderung.

Wenn der Spalt g₂ des Saugkanals 3 b sehr viel kleiner als der Spalt g₁ des Saugkanals 3 a wird, sind der Druckverlust und die Druckänderung in diesem Abschnitt hoch. Somit führt eine Verringerung des Volumenwirkungsgrads des Kompressors zu einer Leistungsverringerung.

Darüber hinaus verursacht die Differenz in der Fläche zwischen den Ansaugkanälen 3 a und 3 b einen sich ändernden Druckverlust und eine Druckänderung zwischen den Ansaugkanälen 3 a und 3 b. Dadurch ändert sich der Druck des Kältemittelgases unmittelbar vor der Kompression, so daß eine Druckdifferenz zwischen den Kompressionskammern 4 a und 4 b bzw. 5 a und 5 b von Fig. 1 auftritt. Eine solche Druckdifferenz führt zu Leckagen, so daß die für den Betrieb des Kompressors erforderliche Energie erhöht werden muß, wodurch der gesamte adiabate Wirkungsgrad abnimmt. Der in den Ansaugkanälen auftretende Druckverlust steigt noch, wenn der Kompressor mit hohen Drehzahlen betrieben wird. Dies bedeutet, daß eine Drehzahlsteigerung des Kompressors zu einer beträchtlichen Leistungsverringerung führt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Rotationskolbenmaschine der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß in jedem der beiden mit der Ansaugkammer verbundenen Ansaugkanälen etwa gleich große, Druckverlust und Druckänderungen auf ein Minimum reduzierende Strömungsquerschnitte vorhaden sind.

Diese Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Dadurch daß die Mitten der Stirnplatten in der beschriebenen Weise außermittig angeordnet sind, ist es möglich, den Abstand zwischen dem äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand und einem davon radial beabstandeten äußeren Rand der Stirnplatte so zu vergrößern, daß die Fläche des Ansaugkanals vergrößert wird, der außerhalb des äußeren Stirnrandabschnitts der Spiralwand gebildet wird. Es kann also der Abstand zwischen dem äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand und einer gekrümmten Wandfläche einer Ansaugkammer, die an einem äußeren Umfangsabschnitt des ortsfesten Spiralelements ausgebildet ist, und somit die Breite des Ansaugkanals vergrößert werden. Diese Vergrößerung der Fläche des Ansaugkanals am äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand macht es möglich, daß der andere Ansaugkanal im wesentlichen die gleiche Fläche an einer Stelle erhalten kann, die in Umfangsrichtung von dem Stirnrandabschnitt der Spiralwand um einen Abstand entfernt ist, der im wesentlichen 180° des Spiralwinkels entspricht. Dadurch können beim Ansaugdruck auftretende Druckverluste und Druckänderungen auf ein Minimum reduziert werden. Weiterhin ist es möglich, interne Lecks bzw. Undichtigkeiten zwischen den symmetrisch angeordneten abgedichteten Räumen dadurch auszuschließen, daß das Auftreten eines Druckunterschieds zwischen den beiden Ansaugräumen unmittelbar vor der Kompression unterbunden wird. Dies führt zu einem verbesserten Volumenwirkungsgrad und dazu, daß für die Betätigung des Kompressors weniger Energie erforderlich ist, wodurch der adiabatische Wirkungsgrad insgesamt verbessert wird.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Rotationskolbenmaschine in Spiralbauweise mit einer insgesamt raumsparenden Größe und einem geringen Gewicht zu bauen, da der Durchmesser der Spiralelemente maximal umd ( π a) aufgrund der Anordnung reduziert werden kann, bei der die Mitten der Stirnplatten von den Mitten der Grundkreise der Spiralwände um einen konstanten Wert ( π a/2) versetzt sind.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Spiralkompressor,

Fig. 6 eine Draufsicht auf das Umlaufspiralelement des Spiralkompressors,

Fig. 7 schematisch die Beziehung zwischen den Koordinatenachsen des Umlaufspiralelements von Fig. 6 und dem Grundkreis,

Fig. 8 in einer Draufsicht das ortsfeste Spiralelement des Spiralkompressors,

Fig. 9 schematisch die Beziehung zwischen den Koordinatenachsen des ortsfesten Spiralelements von Fig. 8 und dem Grundkreis,

Fig. 10 das Umlaufspiralelement des Spiralkompressors im Vertikalschnitt,

Fig. 11 im Querschnitt ineinandergreifend das ortsfeste Spiralelement und das Umlaufspiralelement während der Kompression,

Fig. 12 die Anordnung von Fig. 11, bei der das Umlaufspiralelement auf seiner Umlaufbewegung verschoben ist,

Fig. 13 schematisch die Beziehung zwischen den Grundkreisen der Spiralwände der beiden Spiralelemente und den Koordinatenachsen,

Fig. 14 ein Indikatordiagramm des bekannten Spiral kompressors (Fig. 1 bis 4) und

Fig. 15 ein Indikatordiagramm des Spiralkompressors von Fig. 5.

Der in Fig. 5 gezeigte Spiralkompressor hat einen Kompressorabschnitt 12 und einen Motorabschnitt 13, die beide in einem abgedichteten Behälter 11 angeordnet sind.

Der Kompressorabschnitt 12 hat ein ortsfestes Spiralelement 15 und ein Umlaufspiralelement 16, die ineinandergreifend angeordnet sind, wodurch sie Kompressionskammern 19 bilden. Das ortsfeste Spiralelement 15 hat eine scheibenförmige Stirnplatte 15 a und eine längs einer Evolventenkurve verlaufende Spiralwand 15 b, die axial auf der Stirnplatte 15 a angeordnet ist, und mit einer Förderöffnung 20 in seinem Mittel abschnitt und einer Ansaugöffnung 17 an seinem äußeren Umfangsabschnitt versehen ist. Das Umlaufspiralelement 16 hat eine scheibenförmige Stirnplatte 16 a und eine längs einer Evolventenkurve verlaufende Spiralwand 16 b, die axial auf der Stirnplatte 16 a angeordnet ist, und mit einer Nabe 16 c auf der Fläche der Stirnplatte 16 a versehen ist, die der Fläche gegenüberliegt, auf der die Spiralwand 16 b angeordnet ist.

Ein Rahmen 21 ist an seinem Mittelabschnitt mit einem Lagerabschnitt 21 a zum Lagern einer Kurbelwelle 14 versehen, die an ihrem vorderen Ende einen Kurbelzapfen 14 a hat, der in der Nabe 16 c für eine Orbitalbewegung eingeführt ist. Das ortsfeste Spiralelement 15 ist an dem Rahmen 21 durch eine Vielzahl von Bolzen befestigt. Das Umlaufspiralelement 16 wird von dem Rahmen 21 über einen Oldham-Kupplungsmechanismus 22 abgestützt, der einen Oldham-Ring und einen Oldham-Keil aufweist, so daß das Umlaufspiralelement 16 eine Umlaufbewegung bezüglich des ortsfesten Spiralelements 15 ausüben kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen.

Die Kurbelwelle 14 ist an ihrem unteren Teil in einem Stück an eine Motorwelle 14 b angeschlossen, wodurch der Kompressorabschnitt 12 direkt mit dem Motorabschnitt 13 verbunden ist.

Die Ansaugöffnung 17 des ortsfesten Spiralelements 15 ist mit einem Ansaugrohr 27 verbunden, das durch die Wand des abgedichteten Behälters 11 hindurchgeht. Die Förderöffnung 20 mündet in eine Förderkammer 11 a, die über einen Kanal 28 mit einer unteren Kammer 11 b in Verbindung steht, die ihrerseits mit einem Abführrohr 29 verbunden ist, das durch die Wand des abgedichteten Behälters 11 hindurchgeht.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Spiralkompressors erläutert:

Die Drehung der Kurbelwelle 14, die direkt mit dem Motorabschnitt 13 verbunden ist, läßt den Kurbelzapfen 14 a exzentrisch rotieren, wodurch das Umlaufspiralelement 16 über die Nabe 16 c in eine Umlaufbewegung versetzt wird. Wenn das Umlaufspiralelement 16 seine Umlaufbewegung ausübt, verschiebt sich die Position der Kompressionskammer 19 fortlaufend zur Mitte der Stirnplatte 16 a hin, wobei das Volumen verringert wird. Durch das Ansaugrohr 27 und die Ansaugöffnung 17 strömt Gas in eine Ansaugkammer 18 und gelangt verdichtet über die Förderöffnung 20 in die Förderkammer 11 a. Aus der Förderkammer 11 a strömt das komprimierte Gas über den Kanal 28 in die untere Kammer 11 b, aus der es über das Abführrohr 29 abgeführt wird.

Wie in Fig. 6 und 7 gezeigt ist, ist die Mitte Om′ der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiralelements 16 von der Mitte Om des Grundkreises 30 der Spiralwand 16 b zum Punkt A versetzt, der sich am äußeren Endrandabschnitt der Spiralwand 16 b befindet und zwar um einen vorher festgelegten Abstand π a/2, wobei π das Verhältnis des Kreisumfangs zu seinem Durchmesser und a der Radius des Grundkreises 30 der Spiralwand 16 b sind.

Wenn die Koordinatenachsen der Mitte Om des Grundkreises 30 und der Mitte Om′ der Stirnplatte 16 a Xm, Ym bzw. Xm′, Ym′ sind, läßt sich die genannte Versetzung durch die folgende Gleichung (7) ausdrücken:

Die Versetzung oder der Abstand entspricht dem halben Abstand gemäß Gleichung (6).

Dadurch, daß die Mitte der Stirnseite 16 a zur Mitte Om des Grundkreises 30 der Spiralwand 16 b auf Om′ verschoben ist, ist es möglich, den Abstand von der Mitte Om′ der Stirnplatte 16 a zum Punkt A des äußeren Stirnrandabschnitts der Spiralwand 16 b gleich dem Abstand von der Mitte Om′ der Stirnplatte 16 a zum Punkt B zu machen, der am Umfang von Punkt A einen Abstand von 180° hat. Auf der Stirnplatte 16 a mit dem Außendurchmesser D _so′ sind der Abstand zwischen dem Punkt A am äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand 16 b und dem Punkt E am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 16 a sowie der Abstand zwischen dem Punkt B und dem Punkt F am äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 16 a so festgelegt, daß sie die gleiche Abmessung L₃ haben.

Durch Festlegung des Abstandes, der im folgenden als Stegbreite L₃ bezeichnet wird, zwischen dem Punkt A am äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwand 16 b des Umlaufspiralelements 16 und dem äußeren Umfangsrand der Stirnplatte 16 a, der außerhalb davon angeordnet ist, auf einen Wert, der gleich der Stegbreite L₃ am Punkt B, wie vorstehend beschrieben ist, ist es möglich, den Verschleiß zu verringern, wie er gleichförmig an der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiralelements 16 verursacht wird, wodurch es möglich ist, eine gleichförmige Abdichtung zu erhalten. In Fig. 5 ist gezeigt, daß eine Stirnfläche eines äußeren Umfangsabschnitts 15 f der Stirnplatte 15 a des ortsfesten Spiralelements 15 in Gleitkontakt mit einer äußeren Umfangsfläche der Stirnplatte 16 a des Umlauf spiralelements nebeneinanderliegend gehalten wird, wodurch eine Abdichtung zwischen der Ansaugkammer 18 und einem Raum 23 unterhalb einer Unterseite der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiralelements 16 geschaffen wird.

Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt ist, ist die Mitte Of′ der Stirnplatte 15 a des ortsfesten Spiralelements 15 von der Mitte Of des Grundkreises 31 der Spiralwand 15 b zu einem Punkt C, der sich an einem äußeren Umfangsabschnitt der Spiralwand 15 b befindet, um einen Abstand hin versetzt, der der Versetzung der Mitte Om′ der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiralelements 16 entspricht. Die Koordinatenachsen der Mitte Of des Grundkreises 31 und der Mitte Of′ der Stirnplatte 15 b werden mit Xf, Yf bzw. Xf′, Yf′ bezeichnet. Die Versetzung oder der Abstand der Mitte Of′ ist gleich der Versetzung oder dem Abstand der Mitte Om′ der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiralelements 16, die gleich f a/2 ist.

Durch Versetzen der Mitten Of′ und Om′ der Stirnplatten 15 a und 16 a des ortsfesten Spiralelements 15 und des Umlaufspiralelements 16 von den Mitten Of und Om der Grundkreise 30 und 31 der Spiralwände 15 b bzw. 16 b um den erwähnten vorher festgelegten Abstand π a/2 ist es möglich, die an den Ansaugkanälen 33 a und 33 b gebildeten Spalte gleich groß zu gestalten. Durch Festlegung der Abmessung D _si (Bildung der Ansaugkammer) eine Umfangswandfläche des äußeren Umfangsabschnitts 15 f des ortsfesten Spiralelements 15 oder einer gekrümmten Wandfläche 15 d der äußersten Umfangsnut des ortsfesten Spiralelements 15 auf einen Wert, der gleich dem Wert des entsprechenden Abschnitts des ortsfesten Spiralelements 1 von Fig. 1 ist, ist es möglich, die Fläche des Ansaugkanals 33 b um den erwähnten Abstand über die des Ansaugkanals 3 b (Fig. 1) nach dem Stand der Technik hinaus zu vergrößern. Die gekrümmte Wandfläche 15 d der äußersten Umfangsnut des ortsfesten Spiralelements 15 ist zur Mitte Of′ der Stirnplatte 15 a konzentrisch.

Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, den Außendurchmesser der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiral elements 16 um ( π a) als Maximum verglichen mit dem Stand der Technik zu reduzieren, wenn die Mitte der Stirnplatte 16 a um den erwähnten vorher festgelegten Abstand π a/2 von der Mitte Om des Grundkreises 30 der Spiralwand 16 b versetzt ist. Wenn der Außendurchmesser der Stirnplatte 16 a des Umlaufspiralelements 16 von Fig. 6 und 7 mit D _so′ und der Außendurchmesser der Stirnplatte von Fig. 4 mit D _so bezeichnet wird und angenommen wird, daß L₁=L₃, kann der Außendurchmesser D _so′ durch folgende Gleichung (8) ausgedrückt werden:

In den Fig. 8 und 9 kann der Außendurchmesser der Stirnplatte 15 a des ortsfesten Spiralelements 15 genauso reduziert werden, wie dies anhand des Umlaufspiralelements 16 der Fig. 6 und 7 erläutert wurde.

Es zeigt sich, daß der Spiralkompressor somit einen Außendurchmesser aufweisen kann, der um maximal π a verglichen mit dem Kompressor von Fig. 1 reduziert ist, bei welchem die Mitte der Stirnplatte jedes Spiralelements mit der Mitte des Grundkreises seiner Spiralwand übereinstimmt. Wenn der Außendurchmesser der Stirnplatte von Fig. 8 mit D _fo′ und der von Fig. 2 mit D _fo bezeichnet wird, kann D _fo′ durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt werden:

D _fo′ = D _fo-π a (9)

Fig. 10 zeigt das Umlaufspiralelement 16 im Vertikalschnitt, wobei mit Zm und Zm′ die vertikalen Koordinatenachsen (Fig. 7) bezeichnet sind, die durch die Mitten Om und Om′ des Basiskreises 30 der Spiralwand 16 b bzw. der Stirnplatte 16 a gehen. Die Stirnplatte 16 a trägt an ihrer Unterseite die Nabe 16 c für die Aufnahme eines Umlauflagers 32, dessen Mittelachse fluchtend zu der Mittelachse Zm′ der Stirnplatte 16 a ausgerichtet ist. Wenn die Mitten der Nabe 16 c und der Stirnplatte 16 a in Übereinstimmung miteinander gebracht werden, ist es möglich, eine Unwuchtkraft zu reduzieren, die in der Stirnplatte 16 a durch die Umlaufbewegung des Umlaufspiralelements 16 erzeugt wird.

Fig. 11 zeigt die beiden Spiralelemente 15 und 16 relativ zueinander in einem Zustand, in denen sie den Saughub abgeschlossen haben. Die zu diesem Zeitpunkt gebildeten Spalte der Saugkanäle 33 a und 33 b sind mit g₃ und g₄ bezeichnet. Bei der gezeigten Ausführung ist der Spalt g₃ umd 2 ε kleiner als der Spalt g₄.

Fig. 12 zeigt die beiden Spiralelemente 15 und 16 relativ zueinander in einem Zustand, in dem sie sich während des Ansaugvorgangs befinden. Die zu diesem Zeitpunkt gebildeten Spalte der Saugkanäle 33 a und 33 b sind mit g₅ bzw. g₆ bezeichnet. Der Spalt g₅ ist um 2 ε größer als der Spalt g₆. Da die Mitten der Stirnplatten des ortsfesten Spiralelements 15 und des Umlaufspiralelements 16 in der vorstehend beschriebenen Weise zu den Mitten der Grundkreise der Spiralwände 15 b und 16 b jeweils zum äußeren Stirnrandabschnitt der Spiralwände um den vorher festgelegten Abstand π a/2 versetzt sind, ist es möglich, die Spalte g₃ (Fig. 11) und g₆ (Fig. 12) im wesentlichen gleich zu machen. Der minimale Spalt g₃ des Saugkanals 33 a wird im wesentlichen gleich dem minimalen Spalt g₆ des Saugkanals 33 b. Die gekrümmte Wandfläche 15 d der äußersten Umfangsnut des ortsfesten Spiralelements 15, das die Saugkammer bildet und ein äußerer Umfangsrand 15 m der Stirnplatte sind beide zur Mitte Of′ der Stirnplatte konzentrisch. Dadurch wird die Herstellung der Rotationskolbenmaschine erleichtert, weil der Außenumfangsrand 15 m der Stirnplatte und die gebogene Wandfläche 15 e der äußersten Umfangsnut konzentrisch zueinander sind.

Fig. 13 zeigt die Lagebeziehung der Mitten (Koordinaten) der beiden Spiralelemente 15 und 16 während des Betriebs. Of und Om sind die Mitten der Basiskreise des ortsfesten Spiralelements 15 bzw. des Umlaufspiralelements 16. Of′ und Om′ sind die Mitten der Stirnplatten 15 a bzw. 16 a. Die Radien der Grundkreise 30 und 31 der Spiralwände 15 b und 16 b sind mit a bezeichnet. Der Drehwinkel des Umlaufspiralelements von der Achse Xf ist mit R bezeichnet. Die Kreisbahn, auf der sich das Umlaufspiralelement 16 bei seiner Umlaufbewegung bewegt, ist mit 40 bezeichnet. Die Kreisbahn 40 hat den Radius ε. Es ergibt sich folgende Beziehung:

Wobei die Beziehung zwischen dem Mittenversetzungsabstand π a/2 und dem Radius ε der Umlaufbewegung keiner speziellen Begrenzung unterworfen ist.

Fig. 14 und 15 zeigen Indikatordiagramme, also die Volumen-Druckbeziehung der Spiralkompressoren zur Erläuterung der damit erreichbaren Wirkungen. Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Druck P und dem Ansaugvolumen V im Spiralkompressor nach Fig. 1. Fig. 15 zeigt die Beziehung zwischen dem Druck P und dem Ansaugvolumen V in dem Spiralkompressor gemäß der Erfindung.

Fig. 14 zeigt zwei Sätze von Kurven, da die Saugkanäle 3 a und 3 b sich voneinander im Druckverlust aufgrund einer Differenz in der Fläche unterscheiden. Die jeweiligen Drücke werden unmittelbar vor der Kompression P _so1 und P _so2. Die Kompression beginnt deshalb von diesen unterschiedlichen Druckpegeln aus. Der Druckanstieg in den Kompressionsräumen 5 a und 5 b ist mit einer ausgezogenen bzw. einer gestrichelten Linie gezeigt. Der Abgabedruck ist mit Pd angegeben. Unter diesen Bedingungen besteht zwischen den Kompressionskammern 5 a und 5 b ein Druckunterschied Δ P, beispielsweise bei einem bestimmten Volumen V₁. Dies führt zu Leckagen zwischen den Kammern, wodurch die für den Betrieb des Kompressors erforderliche Leistung zunimmt. Dies bedeutet, daß die Leistung des Spiralkompressors reduziert wird.

Bei der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform haben die Ansaugkanäle 33 a und 33 b im wesentlichen den gleichen Druckverlust, da sie im wesentlichen die gleiche Fläche haben, wie dies erläutert wurde. Somit beträgt der in den Ansaugräumen unmittelbar vor der Kompression herrschende Druck P _so. Die Kompression beginnt von diesem Druckpegel aus. Das Indikatordiagramm hat somit nur einen Liniensatz. Es besteht keine Druckdifferenz zwischen den beiden Kompressionskammern. Somit ergeben sich auch keine Leckagen zwischen den Kompressionskammern, was zu einem erhöhten Kompressionsgrad führt.

Claims

Rotationskolbenmaschine mit einem ortsfesten Spiralelement, das eine scheibenförmige Stirnplatte und eine senkrecht auf der Stirnplatte angeordnete, sich längs einer Evolvente erstreckende Spiralwand aufweist, wobei am äußeren Umfangsabschnitt der Spiralwand eine von einer gekrümmten, zur Stirnplatte des ortsfesten Spiralelements konzentrischen Wand gebildete Saugkammer vorgesehen ist, und mit einem Umlaufspiralelement, das eine scheibenförmige Stirnplatte und eine senkrecht auf der Stirnplatte angeordnete, sich längs einer Evolvente erstreckende Spiralwand aufweist, wobei das ortsfeste Spiralelement und das Umlaufspiralelement so angeordnet sind, daß die Spiralwände nach innen weisen und ineinandergreifen, so daß sich das Umlaufspiralelement in einer Umlaufbewegung bezüglich es ortsfesten Spiralelements bewegen kann, ohne sich um seine eigene Achse zu drehen, und wobei das ortsfeste Spiralelement in seinem Mittelabschnitt der Stirnplatte eine Auslaßöffnung und an seinem äußeren Umfangsabschnitt eine Ansaugöffnung aufweist, so daß Gas durch die Ansaugöffnung angesaugt und in Kompressionskammern komprimiert wird, die von den beiden Spiralelementen gebildet werden und die ihre Position zu den Mitten der Stirnplatten so verschieben, daß das Volumen verringert wird, wodurch komprimiertes Gas durch die Auslaßöffnung abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten (Om′, Of′) der Stirnplatten (16 a, 15 a) des Umlaufspiralelementes (16) und des ortsfesten Spiralelementes (15) gegenüber den Mitten (Om, Of) der Grundkreise (30, 31) der Evolventen der jeweiligen Spiralwände (16 b, 15 b) bezogen auf die äußeren Enden A, C) der Spiralwände (16 b, 15 b) um π a/2 radial nach innen verschoben sind, wobei π das Verhältnis des Kreisumfanges zu seinem Durchmesser und a der Radius der Grundkreise (30, 31) der Spiralwände (16 b, 15 b) sind.