WO2009012606A2

WO2009012606A2 - Verdrängermaschine nach dem spiralprinzip mit beidseitiger lageranordnung

Info

Publication number: WO2009012606A2
Application number: PCT/CH2008/000310
Authority: WO
Inventors: Fritz Spinnler
Original assignee: SPINNLER ENGINEERING
Current assignee: SPINNLER ENGINEERING
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2010-01-26
Also published as: EP2179138B1; CN101765700A; WO2009012606A3; CN101765700B; EP2179138A2; US20100183466A1; US8529233B2

Abstract

Bei einer Verdrängermaschine der Spiralenbauart weist der Verdrängerkörper (2) eine Scheibe (3) auf, die auf jeder Seite ein abstehendes Verdrängerelement (4, 5) trägt. Die Nabe (11) der Scheibe (3) ist mittels eines Nabenlagers (10) auf einer Exzenterscheibe (9) gelagert, die Teil einer angetriebenen Antriebswelle (6) ist. Diese Antriebswelle (6) ist innerhalb eines Gehäuses (1) mittels eines ersten und zweiten Lagers (7, 8) gelagert. Durch Anordnen dieser Lager in Aufnahmen (48a, 48b), die in die Förderräume des Gehäuses hineinkragen, liegen diese beiden Lager (7, 8) nahe an der Exzenterscheibe (9). Die Antriebswelle (6) erstreckt sich durch eine Wand (22) des Gehäuses (1) hindurch und trägt an ihrem ausserhalb des Gehäuses (1) liegenden freien Ende eine Antriebsscheibe (23). Im Bereich dieser Antriebsscheibe (23) ist die Antriebswelle (6) mittels eines dritten Lagers (24) abgestützt, das in einem vom Gehäuse (1) wegragenden Stützteil (25) gehalten ist.

Description

Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompressible Medien gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Verdrängermaschinen dieser Art sind beispielsweise aus der DE-A-33 13 000 und der EP-A-O 371 305 bekannt und weisen ein aus zwei Hälften bestehendes Gehäuse auf, in dem ein Verdrängerkörper angeordnet ist. Der Verdrängerkörper ist mittels einer Lagerung auf einer Exzenterscheibe gelagert, die mit einer antreibbaren Antriebswelle verbunden ist. Die Antriebswelle ist mittels zweier Lager, die sich bezüglich der Exzenterscheibe gegenüberliegen, im Gehäuse gelagert. Zwischen jedem Lager und der Exzenterscheibe ist je ein mit der Antriebswelle verbundenes Gegengewicht angeordnet. Die sich auf ihrer Antriebsseite durch die Gehäusewand hindurch erstreckende Antriebswelle trägt an ihrem antriebsseitigen Ende eine Antriebsscheibe, die mit einem Antrieb in Verbindung steht.

Während des Betriebs einer solchen Verdrängermaschine werden in der Verdränger- oder Förderkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch die Förderkammer hindurch zum Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird. Ein nach diesem Prinzip arbeitender Verdichter zeichnet sich durch eine pulsationsarme Förderung des gasförmigen Arbeitsmittels, z.B. Luft, aus und könnte daher mit Vorteil unter anderem für Aufladezwecke bei Brennkraft- maschinen herangezogen werden. Um zu verhindern, dass sich die Antriebswelle im Betrieb durchbiegt, insbesondere bei hohen Drehzahlen, sind bei den vorstehend erwähnten bekannten Verdrängermaschinen die Gegengewichte sehr nahe an der Exzenterscheibe angeordnet. Hinsichtlich der Anordnung der Lager gilt, dass der Abstand zwischen demjenigen Lager, das bezüglich der Exzenterscheibe auf der Seite der Antriebsscheibe liegt, und dieser Antriebsscheibe nicht zu gross werden darf, da sonst die Gefahr einer Durchbiegung der Antriebswelle im Betrieb besteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das ausserhalb des Gehäuses liegende Antriebsorgan auch verhältnismässig weit vom Gehäuse angeordnet werden kann, ohne dass sich die Antriebswelle im Betrieb zu stark durchbiegt, auch bei hohen Drehzahlen nicht.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der geringe Abstand zwischen erstem und zweiten Lager sowie die Abstützung der Antriebswelle an ihrem aus dem Gehäuse herausragenden, antriebsseitigen Ende mittels eines weiteren Lagers ermöglicht es, den Abstand zwischen dem Antriebsorgan und demjenigen Lager im Innern des Gehäuses, das bezüglich der Exzenterscheibe auf der Seite des Antriebsorgans liegt, freier zu wählen.

Bevorzugte Weiterausgestaltungen der erfindungsgemässen Verdrängermaschine bilden Gegenstand der abhängigen Patentansprüche . Im Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt rein schematisch:

Fig. 1 in Vorderansicht den antriebsseitigen Gehäuseteil einer Verdrängermaschine,

Fig. 2 die Verdrängermaschine gemäss Fig. 1 in einem Längsschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 2.

Die in den Fig. 1 und 2 in Vorderansicht bzw. im Schnitt gezeigte Verdrängermaschine weist ein aus zwei Gehäusehälften Ia, Ib bestehendes Gehäuse 1 auf, in dem ein Verdrängerkörper 2 gelagert ist. Die beiden Gehäusehälften Ia, Ib sind auf nicht näher dargestellte Weise miteinander verschraubt. In der Darstellung der Fig. 1 ist die eine Gehäusehälfte Ia (Fig. 2) entfernt.

Der Verdrängerkörper 2 weist eine Scheibe 3 auf, die auf jeder Seite ein spiralförmig verlaufendes Verdrängerelement 4, 5 trägt. Die Verdrängerelemente 4, 5 sind als von der Scheibe 3 abstehende Leisten ausgebildet. Zur Lagerung der Scheibe 3 ist eine Antriebswelle 6 vorgesehen, deren Drehachse mit 6a bezeichnet ist. Die Antriebswelle 6 ist in den Gehäusehälften Ia, Ib mittels eines ersten Lagers 7 und eines zweiten Lagers 8 gelagert und weist eine Exzenterscheibe 9 auf, deren Symmetrieachse mit 9a bezeichnet ist. Der Abstand zwischen der Drehachse 6a der Antriebswelle 6 und der Symmetrieachse 9a der Exzenterscheibe 9 (Exzentrizität) ist in der Fig. 1 mit e bezeichnet.

Auf der Exzenterscheibe 9 ist mittels eines Nabenlagers 10, das im vorliegenden Fall ein Wälzlager ist, die Nabe 11 der Scheibe 3 gelagert. Angetrieben wird die Scheibe 3 und somit der Verdrängerkörper 2 über die Antriebswelle 6 und die Exzenterscheibe 9. Dabei wird die Antriebskraft über das Nabenlager 10 auf die Nabe 11 der Scheibe 3 übertragen. Die Führung des Verdrängerkörpers 2 erfolgt über eine Schwinge 12, die am einen Ende drehbar auf einer Welle 13 gelagert ist (Fig. 1) . Am andern Ende trägt die Schwinge 12 einen Bolzen 14, der drehbar in einem Auge 15 der Scheibe 3 gelagert ist.

Das Gehäuse 1 weist einen Einlass 16 und einen Auslass 17 für das Fördermedium, vorzugsweise Luft, sowie zwei Förderräume 18, 18' auf. In der Scheibe 3 ist ein Durchlass 19 (oder mehrere Durchlässe) vorhanden, durch den das Fördermedium vom Förderraum 18 in den Förderraum 18' gelangen kann.

Zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Verdrängerkörpers 2 entstehenden Massenkräfte sind auf der Antriebswelle 6 zwei Gegengewichte 20, 21 angeordnet, die so nahe als möglich an die Exzenterscheibe 9 heran gerückt sind, damit im Betrieb eine Durchbiegung der Antriebswelle 6 so klein wie möglich gehalten oder gar verhindert wird. Der Abstand zwischen den Lagern 7 und 8 und dem jeweils benachbarten Gegengewicht 20 bzw. 21 und damit auch der Abstand zwischen den Lagern 7, 8 und der Exzenterscheibe 9 ist ebenfalls so klein als möglich gehalten, was weiter dazu beiträgt, eine Durchbiegung der Antriebswelle 6 im Betrieb klein zu halten bzw. zu verhindern.

Dieser geringe Lagerabstand wird dadurch erreicht, dass die

Lageraufnahmen 48a und 48b, mit denen die beiden Gehäuse- hälften Ia und Ib versehen sind, in das Gehäuseinnere in die

Förderräume 18' bezw. 18 hineinkragen. Dies im Gegensatz zu denen bekannten Lösungen, bei denen sich die Lageraufnahmen jeweils entweder in der Ebene der Gehäusewände oder sogar ausserhalb davon befinden.

Die Antriebswelle 6 erstreckt sich bezüglich der Exzenter- scheibe 9 auf der Seite des zweiten Lagers 8 durch die Wand 22 des Gehäuseteils Ib hindurch und trägt an ihrem aus dem Gehäuse 1 herausragenden Ende eine Antriebsscheibe 23. Die auf der Aussenseite des Gehäuses 1 angeordnete Antriebsscheibe 23 ist auf nicht näher dargestellte Weise, z.B. mittels eines Antriebsriemens, mit einem nicht gezeigten Antrieb verbunden.

Beim gezeigten Beispiel ist die Antriebswelle 6 an ihrem antriebsseitigen, die Antriebsscheibe 23 tragenden Ende mittels eines dritten Lagers 24 abgestützt, das vorzugsweise ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager ist. Das dritte Lager 24 sitzt im Bereich der Antriebsscheibe 23 auf der Antriebswelle 6, vorzugsweise etwa in der Mittelebene der Antriebsscheibe 23, um den Einfluss der Spannkraft eines über die Antriebsscheibe 23 geführten Antriebsriemens (nicht gezeigt) auf die Durchbiegung der Antriebswelle 6 zu minimieren bzw. zu eliminieren. Das dritte Lager 24 ist in einem in Richtung der Achse 6a der Antriebswelle 6 vom Gehäuse 1 abstehenden Stützteil 25 gehalten, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Gehäuseteil Ib einstückig ist. Der Stützteil 25 kann aber auch als ein vom Gehäuse 1 getrennter Bauteil ausgebildet sein, der am Gehäuse 1 befestigt ist.

Das dritte Lager 24 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel als Axiallager ausgebildet, das zur axialen Ausrichtung der Antriebswelle 6 im Gehäuse 1 dient. Der Aussenring 24a des dritten Lagers 24 ist in axialer Richtung im Stützteil 25 abgestützt und mittels eines Sicherungsringes 26 gesichert. Der Innenring 24b des dritten Lagers 24 liegt zwischen einer auf die Antriebswelle 6 aufgeschobenen Distanzhülse 27, die an einer an der Antriebswelle 6 ausgebildeten Schulter 28 anliegt, und der Nabe 23a der Antriebsscheibe 23. Die Distanzhülse 27, der Innenring 24b des dritten Lagers 24 und die Nabe 23a der Antriebscheibe 23 sind mittels einer auf ein Gewinde 29 am Ende der Antriebswelle 6 aufgeschraubten Schraubenmutter 30 gegen die Schulter 28 verspannt.

Das dritte Lager 24 ist wie in Fig. 2 gezeigt fettge- schmiert. Um zu verhindern, dass das dritte Lager 24 während des Betriebs austrocknet, ist mit konstruktiven Mitteln dafür gesorgt, dass auf beiden Seiten des dritten Lagers 24 derselbe Druck, nämlich der Umgebungsdruck, herrscht. Zu diesem Zweck ist im Stützteil 25 ein Durchlass 31 ausgebildet, der den Raum auf derjenigen Seite des dritten Lagers 24, die der Distanzhülse 27 zugekehrt ist, mit der Umgebung verbindet. Somit wirkt der in dieser Umgebung herrschende Druck sowohl auf die der Distanzhülse 27 zugekehrte erste Seite wie auch auf die dieser ersten Seite in axialer Richtung gegenüberliegende zweite Seite des dritten Lagers 24.

In Abweichung zum dargestellten dritten Lager, welches hier in der Ebene der Antriebscheibe 23 angeordnet ist, kann auch ein „indirektes" drittes Lager zur Anwendung kommen. Dann nämlich, wenn auf die Exzenterwelle an deren antriebs- seitigen Ende eine Magnetkupplung drehfest aufgesteckt wird. Die Welle der Magnetkupplung ist dann über ein Lager im Gehäuse der Magnetkupplung abgestützt. Dieses Gehäuse ist seinerseits an der Gehäusehälfte Ia der Verdrängermaschine abgestützt. Die Welle ist dann nur mittels den zwei Lagern 7, 8 innerhalb des Gehäuses 1 gelagert, während das „dritte" Lager Teil ist der koaxialen, drehfest mit der Exzenterwelle verbundenen Antriebswelle.

Die zusätzliche Abstützung der Antriebswelle 6 an ihrem antriebsseitigen Ende, ob mittels „direktem" oder „indirektem" dritten Lager, ermöglicht es, den Abstand zwischen dem zweiten Lager 8 und der Befestigungsstelle der

Antriebsscheibe 23 auf der Antriebswelle 6 einerseits oder der Magnetkupplung andererseits freier zu wählen, ohne die

Gefahr einer Durchbiegung der Antriebswelle 6 in Kauf nehmen zu müssen.

Damit verhindert werden kann, dass während des Betriebs Fördermedium aus dem Förderraum 18, 18' nach aussen in die Umgebung austreten kann, ist im Bereich des Durchtrittes der Antriebswelle 6 durch die Wand 22 des Gehäuses 1 eine Labyrinthdichtung 32 angeordnet. Diese besteht aus zwei in Längsrichtung der Antriebswelle 6 hintereinander angeordneten Drosselstellen 33, 34. Jede Drosselstelle 33, 34 weist ein ortsfestes Dichtungsorgan 35 auf, das in eine Nut 36 in der mit der Antriebswelle 6 mitdrehenden Distanzhülse 27 eingreift. Die Dichtungsorgane 35 sind vorzugsweise durch Kolbenringe gebildet und sind unter Vorspannung im Stützteil 25 gehalten. In den Raum zwischen den Drosselstellen 33, 34 mündet eine Verbindungsleitung 37, die am andern Ende in den Einlass 16 mündet. Diese Verbindungsleitung 37 verbindet demnach den Einlass 16 mit dem Raum zwischen den Drosselstellen 33, 34. Das bedeutet, dass im Betrieb zwischen den Drosselstellen 33 und 34 ein Druck herrscht, der etwa dem Druck im Einlass 16 entspricht, der niedriger ist als der Umgebungsdruck. Durch die erste Drosselstelle 33 austretendes Fördermedium wird über die Verbindungsleitung 37 in den Einlass 16 zurück geführt und kann nicht in Längsrichtung der Antriebswelle 6 nach aussen austreten. Das zweite Lager 8 für die Antriebswelle 6 ist ebenfalls fettgeschmiert, wobei dafür gesorgt ist, dass das zweite Lager 8 während des Betriebs nicht austrocknet. Zu diesem Zweck sind geeignete konstruktive Massnahmen getroffen, damit auf beiden Seiten des zweiten Lagers 8 derselbe Druck herrscht. Die dem Gegengewicht 21 zugekehrte erste Seite des zweiten Lagers 8 wird durch den Druck im Förderraum 18 beaufschlagt. Damit auch auf der andern, zweiten Seite des zweiten Lagers 8 derselbe Druck herrscht ist eine Verbin- dungsleitung 38 vorgesehen, die den Förderraum 18 mit dieser andern, zweiten Seite des zweiten Lagers 8 verbindet.

Sowohl das erste Lager 7 für die Antriebswelle 6 wie auch das Nabenlager 10 für die Exzenterscheibe 9 werden auf nicht näher dargestellte Weise mit einem flüssigen Schmiermittel, vorzugsweise Schmieröl, geschmiert. Die Lager 7 und 10 sind mittels ringförmiger Dichtelemente 39 gegenüber den Förderräumen 18, 18' abgedichtet.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, wird jedes Gegengewicht 20, 21 durch einen mit der Antriebswelle 6 drehfest verbundenen Befestigungsteil 46 und einen Massenteil 47, der mit dem Befestigungsteil 46 aus einem Stück besteht, gebildet. Der Befestigungsteil 46 jedes Gegengewichtes 20, 21 hat in axialer Richtung gesehen eine möglichst geringe Abmessung, was es ermöglicht, das erste und zweite Lager 7 bzw. 8 so nahe als möglich an die Exzenterscheibe 9 heran zu rücken. Mit dieser Massnahme kann die Durchbiegung der Antriebswelle 6 während des Betriebs quasi verhindert werden.

Der innere Radius R des Befestigungsteils 46 (Fig. 3) ist so bemessen, dass er grösser ist als die in Fig. 2 mit D bezeichnete radiale Abmessung der Nabe 11 der Scheibe 3 und auch grösser als der Aussendurchmesser der Lageraufnahmen 48a, 48b. Das erlaubt es, den Massenteil 47 in radialer Richtung ausserhalb der Nabe 11 anzuordnen, wie das aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Abmessung des Massenteils 47 jedes Gegengewichtes 20, 21 kann daher in axialer Richtung gesehen grösser als die axiale Abmessung des Befestigungsteils 46 gewählt werden. Dies ermöglicht es, den Befestigungsteil 46 ganz nahe an der Exzenterscheibe 9 und der Nabe 11 anzuordnen und trotzdem bei der Ausgestaltung des Massenteils 47 eine gewisse Freiheit zu haben.

Die Grosse des durch die Gegengewichte 20, 21 bewirkten Massenausgleichs kann durch eine geeignete Dimensionierung der Massenteile 47 bestimmt werden. Im vorliegenden Beispiel weisen die Gegengewichte einen T-förmigen Querschnitt auf, wobei die Querbalken die eigentlichen Massenteile 47 darstellen und so konfiguriert sind, dass sie sowohl die Nabe 11 als auch die Lageraufnahmen 48a, 48b seitlich überdecken, zumindest teilweise.

Die in den Figuren gezeigten und vorstehend beschriebenen Verdrängermaschinen eignen sich insbesondere als Aufladeaggregate für Brennkraftmaschinen.

Bezugszeichβnliste (nicht Teil der Anmeldung)

1 Gehäuse

Ia, Ib Gehäusehälfte

2 Verdrängerkörper

3 Scheibe

4, 5 Verdrängerelement

6 Antriebswelle

6a Drehachse

7 erstes Lager

8 zweites Lager

9 Exzenterscheibe

9c Symmetrieachse

10 Nabenlager

11 Nabe von 3

12 Schwinge

13 Welle

14 Bolzen

15 Auge von 3

16 Einlass

17 Auslass

18, 18' Förderraum

19 Durchlass

20, 21 Gegengewicht

22 Wand von Ib

23 Antriebsscheibe

23a Nabe von 23

24 drittes Lager

24a Aussenring

24b Innenring

25 Stützteil

26 Sicherungsring

27 Distanzhülse

28 Schulter

29 Gewinde

30 Schraubenmutter

31 Durchlass in 25

32 Labyrinthdichtung

33, 34 Drosselstelle

35 Dichtungsorgan

36 Nut

37 Verbindungsleitung

38 Verbindungsleitung

39 ringförmiges Dichtelement

46 Befestigungsteil

47 Massenteil

48a , 48b Lageraufnahme, Einkragung e Exzentrizität

D innerer Radius von 47

R radiale Abmessung von 11

Claims

Patentansprüche

1. Verdrängermaschine für kompressible Medien, mit wenigstens einem, in einem feststehenden Gehäuse (1) angeordneten, spiralförmigen Förderraum (18, 18'), mit einem, dem Förderraum (18, 18') zugeordneten Verdrängerkörper (2) , der mittels einer Lagerung (10) auf einer Exzenterscheibe (9) gelagert ist, die mit einer antreibbaren Antriebswelle (6) verbunden ist, die beidseits der Exzenterscheibe (9) mittels eines ersten und zweiten Lagers (7, 8) im Gehäuse (1) drehbar gelagert ist, und mit beidseits der Exzenterscheibe (9) auf der Antriebswelle (6) sitzenden Gegengewichten (20, 21), die jeweils zwischen der Exzenterscheibe (9) und einem der beiden Lager (7, 8) der Antriebswelle (6) angeordnet sind, wobei sich die Antriebswelle (6) antriebsseitig durch die Gehäusewand (22) hindurch erstreckt und an ihrem antriebsseitigen Ende ein mit einem Antrieb verbindbares Antriebsorgan (23) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gehäusehälfte (Ia, Ib) mit einer Lageraufnahme (48a, 48b) versehen ist, welche in den jeweiligen Förderraum (18', 18) hineinkragt .

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gegengewicht (20, 21) einen in einem Abstand von der Drehachse (6a) der Antriebswelle

(6) angeordneten Massenteil (47) aufweist, der mit einem drehfest mit der Antriebswelle (6) gekoppelten

Befestigungsteil (46) verbunden ist, dessen axiale

Abmessung in Richtung der Drehachse (6a) der Antriebs- welle (6) kleiner ist als die entsprechende axiale Abmessung des Massenteils (47), und dass der Massenteil (47) in seiner axialen Erstreckung sowohl die Nabe 11 als auch die jeweilige Lageraufnahme (48a, 48b) zumindest teilweise seitlich überdeckt.

3. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraufnahme (48b) mit einer

Verbindungsleitung (38) zwischen Förderraum (18) und Lagerraum versehen ist, damit auf beiden Seiten des zweiten Lagers (8) derselbe Druck herrscht.

4. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch einen in Richtung der Längsachse

(6a) der Antriebswelle (6) vom Gehäuse (1) abstehenden, mit letzterem verbundenen Stützteil (25) , der von der Antriebswelle (6) durchsetzt ist und in dem ein drittes Lager (24) abstützbar ist.

5. Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch eine im Bereich des Durchtritts der Antriebswelle (6) durch das Gehäuse (1) zwischen letzterem und der Antriebswelle (6) angeordnete Labyrinthdichtung (32), die aus wenigstens zwei in Längsrichtung der Antriebswelle (6) hintereinander angeordneten Drosselstellen (33, 34) besteht, wobei in den Raum zwischen zwei benachbarten Drosselstellen (33, 34) eine Verbindungsleitung (37) mündet, die mit dem Einlass (16) der Verdrängermaschine verbunden ist.