DE112013006201T5

DE112013006201T5 - Spiral-Fluidmaschine

Info

Publication number: DE112013006201T5
Application number: DE112013006201.1T
Authority: DE
Inventors: Yasuomi Matsumoto; Kazuhiko Takai
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-09-10
Also published as: JP6125216B2; WO2014092065A1; US20150322947A1; JP2014118865A; CN104854308A

Abstract

Es ist eine Spiral-Fluidmaschine vorgesehen, bei der der Einfluss eines Zwischenraums in einem Expansionsbereich auf einen Energieregenerationswirkungsgrad reduziert ist. Eine Spiral-Fluidmaschine (100) weist Folgendes auf: eine Spiraleinheit (20), in der eine feste Spirale (3) und eine orbitierende Spirale (4) angeordnet sind und ein Expansionsbereich (1) und ein Verdichtungsbereich (2) ausgebildet sind; und einen Stützteil (30), der die orbitierende Spirale (4) so stützt, dass sie eine Umlaufbewegung durchführen kann, wobei der Verdichtungsbereich (2) durch eine Energie angetrieben wird, die in dem Expansionsbereich (1) regeneriert wird. Ein minimaler Zwischenraum zwischen einer Hülle (3L) der festen Spirale (3) und einer Hülle (4L) der orbitierenden Spirale (4) in dem Expansionsbereich (1) ist kleiner eingestellt als ein minimaler Zwischenraum zwischen der Hülle (3L) der festen Spirale (3) und der Hülle (4L) der orbitierenden Spirale (4) in dem Verdichtungsbereich (2).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spiral-Fluidmaschine, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Spiral-Fluidmaschine, die zum Gebrauch als ein Expander mit integriertem Verdichter geeignet ist.
STAND DER TECHNIK
Als eine herkömmliche Spiral-Fluidmaschine ist zum Beispiel eine Spiral-Fluidmaschine bekannt, die in der Patentdruckschrift 1 offenbart ist. Die in der Patentdruckschrift 1 offenbarte Spiral-Fluidmaschine hat eine orbitierende Spirale, in der eine Spiralhülle ausgebildet ist, eine feste Spirale, in der eine Spiralhülle ausgebildet ist, die mit der Hülle der orbitierenden Spirale im Eingriff ist, und ein Stützteil, das die orbitierende Spirale stützt, damit sie eine Umlaufbewegung hinsichtlich der festen Spirale durchführen kann, und die Spiral-Fluidmaschine ist dazu konfiguriert, einen Verdichtungsbereich und einen Expansionsbereich zu bilden, indem eine Arbeitskammer zwischen der Spiralhülle der festen Spirale und der Spiralhülle der orbitierenden Spirale durch eine Trennwand partitioniert wird.
Die Spiral-Fluidmaschine ist zum Beispiel mit einem Kühlkreislauf verbunden, sie treibt die orbitierende Spirale für eine Bewegung in einer umlaufenden Weise durch die Expansionsenergie eines Arbeitsfluids mit hohem Druck an, das aus dem Kühlkreislauf in den Expansionsbereich eingeführt wird, sie verdichtet ein Arbeitsfluid mit niedrigem Druck, das aus dem Kühlkreislauf in den Verdichtungsbereich durch die Umlaufantriebskraft eingeführt wird, und sie lässt das verdichtete Arbeitsfluid zu einem Hauptverdichter aus, der an der Seite des Kühlkreislaufes separat vorgesehen ist. Auf diese Weise wird durch das Expandieren des Arbeitsfluids eine Energie regeneriert, und das Arbeitsfluid wird unter Nutzung der regenerierten Energie verdichtet.
LISTE DER DRUCKSCHRIFTEN
PATENTDRUCKSCHRIFT

Patentdruckschrift 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift JP-2012-52527

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN SIND
Bei dieser Art der Spiral-Fluidmaschine, wie sie vorstehend beschrieben ist, wird hierbei der Einfluss eines Dichtungsabschnittszwischenraums (nachfolgend als ein „minimaler Zwischenraum” bezeichnet) zwischen der Hülle der orbitierenden Spirale und der Hülle der festen Spirale in dem Expansionsbereich auf einen Energieregenerationswirkungsgrad in einem Fall groß, in dem die Energie durch expandierendes Arbeitsfluid regeneriert wird und das Arbeitsfluid durch Nutzung der regenerierten Energie verdichtet wird, da ein Expansionsverhältnis in dem Expansionsbereich groß ist, und somit bestehen Bedenken, dass der Energieregenerationswirkungsgrad nachteilig beeinflusst werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts eines derartigen Problems geschaffen, und es ist die Aufgabe, eine Spiral-Fluidmaschine vorzusehen, bei der der Einfluss eines minimalen Zwischenraumes in einem Expansionsbereich auf den Energieregenerationswirkungsgrad reduziert wird.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Aus diesem Grund ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Spiral-Fluidmaschine vorgesehen, die Folgendes aufweist: eine Spiraleinheit, in der eine feste Spirale und eine orbitierende Spirale, die jeweils eine darin ausgebildete Spiralhülle haben, so angeordnet sind, dass sich die Hüllen gegenüberliegen, und in der ein Expansionsbereich zum Expandieren eines Arbeitsfluids und ein Verdichtungsbereich zum Verdichten eines Arbeitsfluids zwischen der Spiralhülle der festen Spirale und der Spiralhülle der orbitierenden Spirale ausgebildet sind; und einen Stützteil, der die orbitierende Spiral stützt, damit sie eine Umlaufbewegung hinsichtlich der festen Spirale durchführen kann, wobei der Verdichtungsbereich durch eine Energie angetrieben wird, die in dem Expansionsbereich regeneriert wird, wobei ein minimaler Zwischenraum zwischen der Hülle der festen Spirale und der Hülle der orbitierenden Spirale in dem Expansionsbereich kleiner eingestellt ist als ein minimaler Zwischenraum zwischen der Hülle der festen Spirale und der Hülle der orbitierenden Spirale in dem Verdichtungsbereich.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der Spiral-Fluidmaschine gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der minimale Zwischenraum zwischen der Hülle der festen Spirale und der Hülle der orbitierenden Spirale in dem Expansionsbereich kleiner eingestellt als der minimale Zwischenraum zwischen der Hülle der festen Spirale und der Hülle der orbitierenden Spirale in dem Verdichtungsbereich, und daher ist es bei der Spiral-Fluidmaschine möglich, die ein Arbeitsfluid durch Nutzung der Expansionsenergie des Arbeitsfluids verdichtet, den Einfluss des minimalen Zwischenraums in dem Expansionsbereich, der ein großes Expansionsverhältnis hat, auf den Energieregenerationswirkungsgrad zu reduzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Spiral-Fluidmaschine bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht einer festen Spirale gemäß dem Ausführungsbeispiel bei Betrachtung von einer Seite der orbitierenden Spirale.
3 zeigt eine Draufsicht einer orbitierenden Spirale gemäß dem Ausführungsbeispiel bei Betrachtung von einer Seite der festen Spirale.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer exzentrischen Buchse gemäß dem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines kombinierten Zustands der orbitierenden Spirale und der festen Spirale an einer Seite des Expansionsbereiches gemäß dem Ausführungsbeispiel.
6A und 6B zeigen Ansichten des minimalen Zwischenraums in einer radialen Richtung einer Spiraleinheit, die in der 5 dargestellt ist, wobei die 6A eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Abschnitts A zeigt, der in der 5 dargestellt ist, und die 6B eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Abschnitts B zeigt, der in der 5 dargestellt ist.
7 zeigt eine Ansicht des kombinierten Zustands der orbitierenden Spirale und der festen Spirale in einem Expansionsbereich gemäß dem Ausführungsbeispiel, und sie ist eine ausschnittartige Längsschnittansicht des Abschnitts A, der in der 5 dargestellt ist.
8 zeigt eine Ansicht des kombinierten Zustands der orbitierenden Spirale und der festen Spirale in einem Verdichtungsbereich gemäß dem Ausführungsbeispiel, und sie zeigt eine ausschnittartige Längsschnittansicht des Abschnitts B, der in der 5 dargestellt ist.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Die 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Expanders 100 mit integriertem Verdichter, der ein erstes Ausführungsbeispiel einer Spiral-Fluidmaschine ist, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird. In der 1 ist der Expander 100 mit integriertem Verdichter mit einem Kühlkreislauf (Verdampfer und Kondensator) (nicht gezeigt) verbunden, er treibt eine orbitierende Spirale an, damit sie sich durch die Expansionsenergie eines eingeführten Kühlmittels mit hohem Druck hinsichtlich einer festen Spirale umlaufend bewegt, er verdichtet ein Kühlmittel mit niedrigem Druck, das aus dem Kühlkreislauf durch die erzeugte Rotationsantriebskraft eingeführt wird, und er lässt das verdichtete Kühlmittel zu einem Hauptverdichter des Kühlkreislaufes aus. Der Expander 100 mit integriertem Verdichter ist mit einem Expansionsbereich 1 und einem Verdichtungsbereich 2 als Arbeitskammern versehen, und er treibt den Verdichtungsbereich 2 durch eine Energie an, die in dem Expansionsbereich 1 regeneriert wird. Der Expansionsbereich 1 und der Verdichtungsbereich 2 werden später im Einzelnen beschrieben.
Wie dies in der 1 dargestellt ist, ist der Expander 100 mit integriertem Verdichter mit einem Gehäuse 10 versehen. In dem Gehäuse 10 sind hauptsächlich eine Spiraleinheit 20, die mit einer festen Spirale 3 und einer orbitierenden Spirale 4 versehen ist, und ein Stützteil 30 angeordnet, der die orbitierende Spirale 4 stützt.
Das Gehäuse 10 hat einen Hauptrahmen 11, der die feste Spirale 3 fest stützt, ein kappenförmiges, oberes Fach 12, das einen oberen Abschnitt des Hauptrahmens 11 schließt, und ein kappenförmiges, unteres Fach 13, das einen unteren Abschnitt des Hauptrahmens 11 schließt, und es ist so geschaffen, dass der Hauptrahmen 11 zwischen dem oberen Fach 12 und dem unteren Fach 13 eingefasst ist.
Wie dies in der 1 schematisch dargestellt ist, sind ein expansionsseitiges Saugrohr 14, das eine Strömung des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf in den Expansionsbereich 1 veranlasst, ein expansionsseitiges Auslassrohr 15, das das in dem Expansionsbereich 1 expandierte Kühlmittel zu dem Kühlkreislauf auslässt, und ein verdichtungsseitiges Auslassrohr 16, das das in den Verdichtungsbereich 2 verdichtete Kühlmittel zu dem Kühlkreislauf auslässt, in dem oberen Fach 12 angeordnet. Das expansionsseitige Saugrohr 14 und das expansionsseitige Auslassrohr 15 sind entsprechend mit einer expansionsseitigen Saugkammer 3d und einer expansionsseitigen Auslasskammer 3e verbunden, die in der festen Spirale 3 ausgebildet sind, und das verdichtungsseitige Auslassrohr 16 ist mit einer verdichtungsseitigen Auslasskammer 12a verbunden, die zwischen dem oberen Fach 12 und dem Hauptrahmen 11 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist ein verdichtungsseitiges Saugrohr 17, das eine Strömung des aus dem Kühlkreislauf eingeführten Kühlmittels in den Verdichtungsbereich 2 veranlasst, an der Seite des Außenumfangsabschnitts des Hauptrahmens 11 angeordnet, und das verdichtungsseitige Saugrohr 17 ist mit einer verdichtungsseitigen Saugkammer 3f verbunden, die in der festen Spirale 3 ausgebildet ist.
Die Spiraleinheit 20 ist mit der festen Spirale 3 und der orbitierenden Spirale 4 versehen, in denen entsprechende Spiralhüllen 3L und 4L (siehe 2 und 3) ausgebildet sind, und die Spiralhüllen 3L und 4L sind so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind, um so einen minimalen Zwischenraum zu gewährleisten (später beschrieben). Die Spiraleinheit 20 bildet den Expansionsbereich 1 und den Verdichtungsbereich 2 (siehe 1), die zwischen der Hülle 3L der festen Spirale 3 und der Hülle 4L der orbitierenden Spirale 4 Arbeitskammern für ein Arbeitsfluid konfigurieren.
Die feste Spirale 3 ist an einer oberen Sitzfläche 11a1 eines abgestuften, konkaven Abschnitts 11a befestigt, der in dem Hauptrahmen 11 ausgebildet ist, wobei die Seite der Hüllenbildungsfläche nach unten gerichtet ist, wie dies in der 1 dargestellt ist. Wie dies in der 2 dargestellt ist, sind in der festen Spirale 3 eine innere Hülle 3La und eine äußere Hülle 3Lb als die Spiralhülle 3L ausgebildet, und eine ringartige Zwischentrennwand 3a und eine ringartige Außenseite näher an der Mittenseite als die Zwischentrennwand 3a, und die äußere Hülle 3Lb ist so vorgesehen, dass sie zwischen der Zwischentrennwand 3a und der Außentrennwand 3b vorsteht.
Darüber hinaus ist in der festen Spirale 3 eine ringartige Nut 3c (siehe 2), in der ein Dichtring 5 (siehe 1) eingepasst ist, in einer Endseite der Zwischentrennwand 3a ausgebildet.
Darüber hinaus ist in der festen Spirale 3, wie dies in der 2 dargestellt ist, die expansionsseitige Saugkammer 3d an einem mittleren Abschnitt ausgebildet, der ein Innenumfangsende des Expansionsbereiches 1 ist, die expansionsseitige Auslasskammer 3e ist an einem Außenumfangsende des Expansionsbereiches 1 im Inneren der Zwischentrennwand 3a ausgebildet, die verdichtungsseitige Saugkammer 3f ist an einem Außenumfangsende des Verdichtungsbereiches 2 im Inneren der Außentrennwand 3b ausgebildet, und ein verdichtungsseitiges Auslassloch 3g ist so ausgebildet, dass es ein Innenumfangsende des Verdichtungsbereiches 2 außerhalb der Zwischentrennwand 3a durchdringt.
Die orbitierende Spirale 4 ist durch den Stützteil 30 gestützt, damit sie eine Umlaufbewegung um eine Achse einer festen Welle 6 (später beschrieben) durchführen kann, während sie an einer Zwischensockelfläche 11a2 des Hauptrahmens 11 platziert ist, wobei die Seite der Spiralbildungsfläche nach oben gerichtet ist, und zwar in einem Zustand, bei dem eine Drehung durch einen Anti-Drehmechanismus 50 wie zum Beispiel ein Oldham-Ring verhindert wird. In der orbitierenden Spirale 4 sind eine innere Hülle 4La und eine äußere Hülle 4Lb als die Spiralhülle 4L ausgebildet, wie dies in der 3 dargestellt ist. Eine Wandfläche der inneren Hülle 4La liegt einer Wandfläche der inneren Hülle 3La der festen Spirale 3 gegenüber, eine Wandfläche der äußeren Hülle 4Lb liegt einer Wandfläche der äußeren Hülle 3Lb der festen Spirale 3 gegenüber, und die Hüllen 4La und 4Lb sind so vorgesehen, dass sie in entgegengesetzten Spiralenrichtungen vorstehen. Darüber hinaus ist ein konkaver Abschnitt 4a, in dem eine exzentrische Buchse 31 (später beschrieben) so eingefügt ist, dass sie sich hinsichtlich der orbitierenden Spirale 4 relativ drehen kann, in der Fläche gegenüber der Hüllenbildungsfläche der orbitierenden Spirale 4 ausgebildet, wie dies in der 1 dargestellt ist.
Die feste Spirale 3 und die orbitierende Spirale 4 sind miteinander kombiniert, wobei die Wandflächen der Hüllen einander zugewandt sind, wie dies in der 1 dargestellt ist, wodurch der Expansionsbereich 1 zwischen der inneren Hülle 3La der festen Spirale 3 und der inneren Hülle 4La der orbitierenden Spirale 4 ausgebildet ist und der Verdichtungsbereich 2 zwischen der äußeren Hülle 3Lb der festen Spirale 3 und der äußeren Hülle 4Lb der orbitierenden Spirale 4 ausgebildet ist. Auf diese Weise ist die Spiraleinheit 20 von diesem Ausführungsbeispiel eine sogenannte Einzelplatten-Spiraleinheit, bei der die orbitierende Spirale 4, die den Expansionsbereich 1 bildet, und die orbitierende Spirale 4, die den Verdichtungsbereich 2 bildet, an derselben Fläche desselben Elementes ausgebildet sind.
Der Stützteil 30 ist an der festen Welle 6 drehbar gestützt und stützt die orbitierende Spiral 4, damit sie eine Umlaufbewegung um eine Achse X1 der festen Welle 6 durchführen kann. Der Stützteil 30 ist insbesondere so konfiguriert, dass er die exzentrische Buchse 31, ein Nadellager 32, ein Radiallager 33 und ein Axiallager 34 aufweist.
Die exzentrische Buchse 31 ist an der festen Welle 6 hinsichtlich der Achse X1 der festen Welle 6 exzentrisch und drehbar gestützt und in dem konkaven Abschnitt 4a eingesetzt, der in der orbitierenden Spirale 4 ausgebildet ist, damit sie sich hinsichtlich der orbitierenden Spirale 4 relativ drehen kann.
Insbesondere hat die exzentrische Buchse 31 einen Flanschabschnitt 31a mit einem vergrößerten Durchmesser, der größer ist als der Innendurchmesser des konkaven Abschnitts 4a der orbitierenden Spirale 4, einen zylindrischen Abschnitt 31b, der so vorgesehen ist, dass er von dem Flanschabschnitt 31a vorsteht, und ein Ausgleichsgewicht 31c, das an einem Abschnitt eines Außenumfangsabschnitts des Flanschabschnitts 31a einstückig ausgebildet ist, wie dies in der 4 dargestellt ist. Der zylindrische Abschnitt 31b hat einen Lochabschnitt 31b mit einer Mittelachse, die exzentrisch hinsichtlich einer Achse X3 des zylindrischen Abschnitts 31b ist und mit der Achse X1 der festen Welle 6 übereinstimmt, und er ist so ausgebildet, dass er hinsichtlich der Achse X1 der festen Welle 6 exzentrisch montiert werden kann. Ein Wellenabschnitt 6a (siehe 1) der festen Welle 6 ist in den Lochabschnitt 31b mit dem dazwischen angeordneten Nadellager 32 eingepasst, und somit ist die exzentrische Buchse 31 an der festen Welle 6 drehbar gestützt. Der zylindrische Abschnitt 31b ist in den konkaven Abschnitt 4a der orbitierenden Spirale 4 mit dem dazwischen angeordneten Radiallager 33 eingesetzt. Das Axiallager 34 ist zwischen dem Flanschabschnitt 31a und einem Basisabschnitt 6b (siehe 1) der festen Welle 6 angeordnet.
Die feste Welle 6 hat den Wellenabschnitt 6a an der oberen Endseite, den Basisabschnitt 6b, der so konfiguriert ist, dass er in einen Lochabschnitt 11c angepasst ist, der so ausgebildet ist, dass er einen Bodenabschnitt des Hauptrahmens 11 durchdringt, und einen Flanschabschnitt 6c, der so ausgebildet ist, dass er einen vergrößerten Durchmesser an der unteren Endseite hat, wie dies in der 1 dargestellt ist, und der Wellenabschnitt 6a und der Basisabschnitt 6b sind mit derselben Achse (X1) ausgebildet. Die feste Welle 6 ist an dem Hauptrahmen 11 befestigt, wobei ihre Achse X1 im Wesentlichen mit einer Mittelachse X2 der festen Spirale 3 übereinstimmt, zum Beispiel durch Einpassen des Basisabschnitts 6b in den Lochabschnitt 11c und durch Befestigen des Flanschabschnitts 6c an der unteren Fläche des Hauptrahmens 11 durch Verschrauben oder dergleichen. Die feste Welle 6 stützt nämlich nur die exzentrische Buchse 31 drehbar, und die feste Welle 6 selbst dreht sich nicht.
Auf diese Weise stützt der Stützteil 30, der die exzentrische Buchse 31, das Nadellader 32, das Radiallager 33 und das Axiallager 34 aufweist, die orbitierende Spirale 4, damit sie eine Umlaufbewegung um die Achse X1 durchführt, indem der zylindrische Abschnitt 31b der exzentrischen Buchse 31, die an der festen Welle 6 durch das Nadellager 32 gestützt ist, exzentrisch hinsichtlich der Achse X1 der festen Welle 6 angeordnet ist und der zylindrische Abschnitt 31b in den konkaven Abschnitt 4a der orbitierenden Spirale 4 mit dem dazwischen angeordneten Radiallager 32 eingesetzt ist, so dass er hinsichtlich der orbitierenden Spirale 4 relativ drehbar ist.
Als Nächstes wird der minimale Zwischenraum zwischen der Hülle 3L der festen Spirale 3 und der Hülle 4L der orbitierenden Spirale 4 bei diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie dies in der 5 dargestellt ist, ist die Spiraleinheit 20 dadurch konfiguriert, dass die Hülle 3L der festen Spirale 3 und die Hülle 4L der orbitierenden Spirale 4 so kombiniert werden, dass sie miteinander im Eingriff sind. Hierbei ist es erforderlich, die Luftdichtigkeit des Expansionsbereiches 1 und des Verdichtungsbereiches 2 als die Arbeitskammern zwischen der festen Spirale 3 und der orbitierenden Spirale 4 während des Umlaufens der orbitierenden Spirale 4 aufrecht zu erhalten, und daher muss in dem Expansionsbereich 1 und dem Verdichtungsbereich 2 ein Spalt so klein wie möglich eingestellt werden, in dem sich die Hülle 4L der orbitierenden Spirale 4 und die Hülle 3L der festen Spirale 3 am dichtesten annähern. Dieser Spalt wird als der „minimale Zwischenraum” bezeichnet. Ein Ölfilm für die Schmierung ist in dem minimalen Zwischenraum (anders gesagt ein Dichtungsabschnittszwischenraum) ausgebildet, und somit werden der Expansionsbereich 1 und der Verdichtungsbereich 2 als die Arbeitskammern jeweils abgedichtet.
Der minimale Zwischenraum wird jeweils in einer radialen Richtung und einer axialen Richtung (Höhenrichtung der jeweiligen Hülle) der Spiraleinheit 20 eingestellt. Dann wird ein minimaler Zwischenraum C in der radialen Richtung jeweils an der Seite des Expansionsbereiches 1 und an der Seite des Verdichtungsbereiches 2 eingestellt, wie dies in den 6A und 6B dargestellt ist, die ausschnittartig vergrößerte Ansichten eines Abschnitts A und eines Abschnitts B zeigen, die in der 5 dargestellt sind, wobei ein radialer minimaler Zwischenraum C_exp an der Seite des Expansionsbereiches 1 kleiner eingestellt wird als ein radialer minimaler Zwischenraum C_comp an der Seite des Verdichtungsbereiches 2. Darüber hinaus wird auch ein axialer minimaler Zwischenraum CZ (das heißt der Zwischenraum zwischen der Spitze der Hülle und einem Nutboden, der die Hülle bildet) jeweils an der Seite des Expansionsbereiches 1 und an der Seite des Verdichtungsbereiches 2 eingestellt, wie dies in den 7 und 8 dargestellt ist, die vergrößerte Längsschnittansichten des Abschnitts A und des Abschnitts B zeigen, die in der 5 dargestellt sind, wobei ein axialer minimaler Zwischenraum CZ_exp an der Seite des Expansionsbereiches 1 kleiner eingestellt wird als ein axialer minimaler Zwischenraum CZ_comp an der Seite des Verdichtungsbereiches 2. Auf diese Weise werden beide minimale Zwischenräume (C_exp und CZ_exp) in der radialen Richtung und der axialen Richtung an der Seite des Expansionsbereiches 1 kleiner eingestellt als die minimalen Zwischenräume (C_comp und CZ_comp) an der Seite des Verdichtungsbereiches 2.
Nachfolgend wird die Positionsbeziehung in der radialen Richtung zwischen der Hülle 3L (3La und 3Lb) der festen Spirale 3 und der Hülle 4L (4La und 4Lb) der orbitierenden Spirale 4 in dem Expansionsbereich 1 und dem Verdichtungsbereich 2 unter Bezugnahme auf die 4, 7 und 8 im Einzelnen beschrieben. Zunächst wird die Seite des Expansionsbereiches 1 beschrieben. Wie dies in der 7 dargestellt ist, ist eine Teilung der jeweiligen Hüllen 3La und 4La der festen Spirale 3 und der orbitierenden Spirale 4 in dem Expansionsbereich 1 als P_exp festgelegt, und eine Wanddicke der jeweiligen Hüllen 3La und 4La der festen Spirale 3 und der orbitierenden Spirale 4 in dem Expansionsbereich 1 ist als t_exp festgelegt. Wie dies darüber hinaus in der 4 dargestellt ist, ist ein exzentrischer Abstand der Mittelachse (in der 4 X1 und X2) des Lochabschnitts 31d hinsichtlich der Achse X3 des zylindrischen Abschnitts 31b als ein Kurbelradius POR festgelegt. Wie dies zusätzlich in den 7 und 8 dargestellt ist, ist die Hülle 4L (4La und 4Lb) der orbitierenden Spirale 4 um einen Betrag entsprechend einem doppelten Abstand des Kurbelradius POR hinsichtlich der radialen Richtung der Spiraleinheit 20 in Nuten bewegbar, die die Hülle 3L (3La und 3Lb) der festen Spirale 3 bilden. Der Kurbelradius POR wird durch den folgenden Ausdruck (1) dargestellt. POR = P_exp/2 – C_exp- t_exp (1)
Hinsichtlich der Seite des Verdichtungsbereiches 2, wie sie in der 8 dargestellt ist, wird der Kurbelradius POR andererseits durch den folgenden Ausdruck (2) dargestellt, wenn eine Teilung der jeweiligen Hüllen 3Lb und 4Lb der festen Spirale 3 und der orbitierenden Spirale 4 in dem Verdichtungsbereich 2 als P_comp festgelegt ist und eine Wanddicke der jeweiligen Hüllen 3Lb und 4Lb der festen Spirale 3 und der orbitierenden Spirale 4 in dem Expansionsbereich 1 als t_comp festgelegt ist. POR = P_comp/2 – C_comp – t_comp (2)
Da hierbei der Kurbelradius POR in dem Expansionsbereich 1 und dem Verdichtungsbereich 2 gleich ist, wird der relative Ausdruck aus den vorstehend beschriebenen Ausdrücken (1) und (2) im folgenden Ausdruck (3) dargestellt. P_exp/2 – C_exp – t_exp = P_comp/2 – C_comp – t_comp (3)
Darüber hinaus wird aus dem vorstehend beschriebenen Ausdruck (3) der folgende Ausdruck (4) dargestellt. C_comp – C_exp = (P_comp/2 – t_comp) – (P_exp/2 – t_exp) (4)
Damit hierbei eine Beziehung C_comp – C_exp > 0 (das heißt C_comp > C_exp) in dem vorstehend beschriebenen Ausdruck (4) erhalten wird, ist es erforderlich, dass der folgende Ausdruck (5) erfüllt wird. P_comp/2 – t_comp > P_exp/2 – t_exp (5)
Hinsichtlich den radialen minimalen Zwischenräumen (C_exp und C_comp) ist es auf diese Weise insbesondere günstig, wenn die Teilungen (P_comp und P_exp) und die Wanddicken (t_comp und t_exp) so festgelegt sind, dass der Ausdruck (5) erfüllt wird. Zum Beispiel ist es günstig, wenn die Teilungen (P_comp und P_exp) so gebildet sind, dass sie miteinander übereinstimmen und die Wanddicke t_exp an der Seite des Expansionsbereiches 1 dicker ist als die Wanddicke t_comp an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, oder die Wanddicken (t_comp und t_exp) so gebildet sind, dass sie miteinander übereinstimmen und die Teilung P_exp an der Seite des Expansionsbereiches 1 kürzer ist als die Teilung P_comp an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, und wenn der vorstehend beschriebene Ausdruck (5) erfüllt ist, müssen die Teilungen (P_comp und P_exp) oder die Wanddicken (t_comp und t_exp) an der Seite des Expansionsbereiches 1 und an der Seite des Verdichtungsbereiches 2 nicht miteinander übereinstimmen. Zusätzlich werden eine obere Grenze und eine untere Grenze einer Maßtoleranz der jeweiligen Teilungen (P_comp und P_exp) und der Wanddicken (t_comp und t_exp) so festgelegt, dass der vorstehend beschriebene Ausdruck (5) bei jedem Maß in dem Toleranzbereich erfüllt ist.
Als Nächstes wird die Positionsbeziehung in der axialen Richtung zwischen der Hülle 3L (3La und 3Lb) der festen Spirale 3 und der Hülle 4L (4La und 4Lb) der orbitierenden Spirale 4 in dem Expansionsbereich 1 und dem Verdichtungsbereich 2 im Einzelnen beschrieben. Wie dies in den 7 und 8 dargestellt ist, werden die Beziehungsausdrücke in den folgenden Ausdrücken (6) und (7) eingerichtet, wenn eine Nuttiefe, die die Hülle 3L (die innere Hülle 3La) der festen Spirale 3 in dem Expansionsbereich 1 bildet, als D_exp festgelegt wird, die Höhe der Hülle 4L (die innere Hülle 4La) der orbitierenden Spirale in dem Expansionsbereich 1 als h_exp festgelegt wird, eine Nuttiefe, die die Hülle 3L (die äußere Hülle 3Lb) der festen Spirale 3 in dem Verdichtungsbereich 2 bildet, als D_comp festgelegt wird und die Höhe der Hülle 4L (die äußere Hülle 4Lb) der orbitierenden Spirale 4 in dem Verdichtungsbereich 2 als h_comp festgelegt wird. CZ_exp = D_exp – h_exp (6) CZ_comp = D_comp – h_comp (7)
Damit eine Beziehung CZ_comp > CZ_exp aus den vorstehend beschriebenen Ausdrücken (6) und (7) erhalten wird, ist es hierbei erforderlich, dass der folgende Ausdruck (8) erfüllt wird. D_comp – h_comp > D_exp – h_exp (8)
Hinsichtlich den axialen minimalen Zwischenräumen (CZ_exp und CZ_comp) ist es auf diese Weise insbesondere günstig, wenn die Nuttiefen (D_comp und D_exp) der festen Spirale 3 und die Hüllhöhen (h_comp und h_exp) der orbitierenden Spirale 4 so festgelegt sind, dass der Ausdruck (8) erfüllt ist. Zum Beispiel ist es günstig, wenn die Nuttiefen (D_comp und D_exp) miteinander übereinstimmen und die Hüllhöhe h_exp der orbitierenden Spirale 4 an der Seite des Expansionsbereiches 1 höher ist als die Hüllhöhe h_comp der orbitierenden Spirale 4 an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, oder die Hüllhöhen (h_comp und h_exp) der orbitierenden Spirale 4 miteinander übereinstimmen und die Nuttiefe D_exp der festen Spirale 3 an der Seite des Expansionsbereiches 1 flacher ist als die Nuttiefe D_comp an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, und wenn der vorstehend beschriebene Ausdruck (8) erfüllt ist, müssen die Nuttiefen (D_comp und D_exp) oder die Hüllhöhen (h_comp und h_exp) an der Seite des Expansionsbereiches 1 und an der Seite des Verdichtungsbereiches 2 nicht miteinander übereinstimmen. Zusätzlich werden eine obere Grenze und eine untere Grenze einer Maßtoleranz der jeweiligen Nuttiefen (D_comp und D_exp) und der Hüllhöhen (h_comp und h_exp) so festgelegt, dass der vorstehend beschriebene Ausdruck (8) bei jedem Maß in dem Toleranzbereich erfüllt ist.
Als Nächstes wird ein Betrieb des Expanders 100 mit integriertem Verdichter von diesem Ausführungsbeispiel anhand der 1 schematisch beschrieben.
Ein Kühlmittel mit hohem Druck, das aus dem expansionsseitigen Saugrohr 14 eingezogen wird, wird in den Expansionsbereich 1 durch die expansionsseitige Saugkammer 3d eingeführt. In dem Expansionsbereich 1 vergrößert sich das Volumen zwischen den Spiralen 3 und 4, und die orbitierende Spirale 4 setzt die Umlaufbewegung um die Achse X1 der festen Spirale 3 aufgrund der Expansionsenergie des Kühlmittels fort. Das Kühlmittel, das für die Umlaufbewegung der orbitierenden Spirale 4 gedient hat, wird zu dem Kühlkreislauf durch die expansionsseitige Auslasskammer 3e und das expansionsseitige Auslassrohr 15 ausgelassen. Andererseits wird ein Kühlmittel mit niedrigem Druck, das aus dem verdichtungsseitigen Saugrohr 17 eingezogen wird, in dem Verdichtungsbereich 2 durch die verdichtungsseitige Saugkammer 3f eingeführt. In dem Verdichtungsbereich 2 verringert sich das Volumen zwischen den Spiralen 3 und 4 aufgrund der Umlaufbewegung der orbitierenden Spirale 4, und dementsprechend wird das eingeführte Kühlmittel verdichtet. Dann wird das verdichtete Kühlmittel zu dem Hauptverdichter des Kühlkreislaufes durch das verdichtungsseitige Auslassloch 3g, die verdichtungsseitige Auslasskammer 12a und das verdichtungsseitige Auslassrohr 16 ausgelassen. Auf diese Weise expandiert das Kühlmittel in dem Expansionsbereich 1 mit einem großen Expansionsverhältnis, und das Kühlmittel wird in dem Verdichtungsbereich 2 mit einem kleinen Verdichtungsverhältnis durch Nutzung der Expansionsenergie verdichtet.
Gemäß dem Expander 100 mit integriertem Verdichter von diesem Ausführungsbeispiel sind die minimalen Zwischenräume (C_exp und CZ_exp) an der Seite des Expansionsbereiches 1 kleiner eingestellt als die minimalen Zwischenräume (C_comp und CZ_comp) an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, und daher ist es bei der Spiral-Fluidmaschine möglich, die ein Arbeitsfluid durch Nutzung der Expansionsenergie des Arbeitsfluid verdichtet, den Einfluss eines Zwischenraums in dem Expansionsbereich 1, der ein großes Expansionsverhältnis hat, auf den Energieregenerationswirkungsgrad zu reduzieren, und es ist möglich, ein Kühlmittel durch wirksames Regenerieren von Expansionsenergie zu verdichten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind darüber hinaus beide minimalen Zwischenräume (C_exp und CZ_exp) in der radialen Richtung und der axialen Richtung an der Seite des Expansionsbereiches 1 kleiner eingestellt als die minimalen Zwischenräume (C_comp und CZ_comp) an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, und daher ist es möglich, eine zuverlässige Abdichtung in dem Expansionsbereich 1 durchzuführen. Zusätzlich ist dies nicht einschränkend, und der minimale Zwischenraum, der an der Seite des Expansionsbereiches 1 kleiner eingestellt ist als an der Seite des Verdichtungsbereiches 2, kann zumindest einer der Zwischenräume in der radialen Richtung und der axialen Richtung sein.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Spiraleinheit 20 als eine Einzelplatten-Spiraleinheit festgelegt ist, bei der die orbitierende Spirale 4, die den Expansionsbereich 1 bildet, und die orbitierende Spirale 4, die den Verdichtungsbereich 2 bildet, an derselben Fläche desselben Elements ausgebildet sind, ist es dann möglich, die Einheit kompakt zu gestalten, wenn dies zum Beispiel mit einer sogenannten Rückspiraleneinheit verglichen wird, bei der die orbitierende Spirale 4, die den Expansionsbereich 1 bildet, und die orbitierende Spirale 4, die den Verdichtungsbereich 2 bildet, jeweils an separaten Elementen ausgebildet sind und die Rückseiten (das heißt die Flächen, die keine Hülle bilden) der jeweiligen Elemente so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde zusätzlich ein Fall beschrieben, bei dem nur das Radiallager 33 zwischen der orbitierenden Spirale 4 und der exzentrischen Buchse 31 vorgesehen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und zum Beispiel kann des Weiteren ein Axiallager zwischen einer Endseite einer Nabe, die den konkaven Abschnitt 4a bildet, und den Flanschabschnitt 3a1 der exzentrischen Buchse 31 vorgesehen sein.
Des Weiteren wurde bei diesem Ausführungsbeispiel ein Fall beschrieben, in dem das Nadellager 32 und das Radiallager 33 zwischen der exzentrischen Buchse 31 sowie dem konkaven Abschnitt 4a und dem Wellenabschnitt 6a vorgesehen sind. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und die exzentrische Buchse 31 selbst kann als ein Gleitlager verwendet werden, das die gegenseitige relative Drehung der orbitierenden Spirale 4 und des Wellenabschnitts 6a aufnimmt, ohne dass die Lager 32 und 33 vorgesehen werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde darüber hinaus die feste Welle 6 als ein Fall beschrieben, in dem sie an dem Hauptrahmen 11 befestigt ist, wobei ihre Achse X1 im Wesentlichen mit der Mittelachse X2 der festen Spirale 3 übereinstimmt. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und die feste Welle 6 kann befestigt sein, wobei die Achse X1 von der Mittelachse X2 der festen Spirale 3 versetzt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde darüber hinaus der Stützteil 30 als ein Fall beschrieben, in dem er eine Konfiguration hat, bei der der Stützteil 30 an der festen Welle 6 gestützt ist, die an dem Hauptrahmen 11 befestigt ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und der Stützteil 30 kann so konfiguriert sein, dass er an einer drehbaren Welle gestützt ist, auch wenn dies nicht dargestellt ist. Darüber hinaus wurde die Spiraleinheit 20 als ein Fall beschrieben, in dem sie eine Einzelplatten-Spiraleinheit ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und die vorstehend beschriebene Rückspiraleneinheit ist auch anwendbar, auch wenn dies nicht beschrieben ist. In diesem Fall können zum Beispiel die orbitierende Spirale 4, die den Expansionsbereich 1 bildet, und die orbitierende Spirale 4, die den Verdichtungsbereich 2 bildet, durch ein monolithisches Element konfiguriert sein, wobei Spiralen an beiden Flächen vorgesehen sind, und im Falle von separaten Elementen kann eine Verbindungswelle vorgesehen sein, die die orbitierenden Spiralen verbindet und eine Rotationsantriebskraft, die in dem Expansionsbereich 1 durch die Expansion des Arbeitsfluids erzeugt wird, zu dem Verdichtungsbereich 2 überträgt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde vorstehend beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, und vielfältige Änderungen können innerhalb des Umfangs geschaffen werden, der die Idee der vorliegenden Erfindung nicht verlässt.
Bezugszeichenliste

100: Spiral-Fluidmaschine
1: Expansionsbereich (Arbeitskammer)
2: Verdichtungsbereich (Arbeitskammer)
3: feste Spirale
3L: Spiralhülle
4: orbitierende Spirale
4L: Spiralhülle
6: feste Welle
20: Spiraleinheit
30: Stützteil
X1: Achse de festen Welle
X2: Mittelachse der festen Spirale

Claims

Spiral-Fluidmaschine mit: einer Spiraleinheit, bei der eine feste Spirale und eine orbitierende Spirale, die jeweils eine darin ausgebildete Spiralhülle haben, so angeordnet sind, dass sich die Spiralen einander gegenüberliegen, und in der ein Expansionsbereich zum Expandieren eines Arbeitsfluids und ein Verdichtungsbereich zum Verdichten eines Arbeitsfluids zwischen der Spiralhülle der festen Spirale und der Spiralhülle der orbitierenden Spirale ausgebildet sind; und einem Stützteil, der die orbitierende Spirale stützt, damit sie eine Umlaufbewegung hinsichtlich der festen Spirale durchführen kann, wobei der Verdichtungsbereich durch eine Energie angetrieben wird, die in dem Expansionsbereich regeneriert wird, wobei ein minimaler Zwischenraum zwischen der Hülle der festen Spirale und der Hülle der orbitierenden Spirale in dem Expansionsbereich kleiner eingestellt ist als ein minimaler Zwischenraum zwischen der Hülle der festen Spirale und der Hülle der orbitierenden Spirale in dem Verdichtungsbereich.
Spiral-Fluidmaschine gemäß Anspruch 1, wobei der minimale Zwischenraum zumindest einer der Zwischenräume in einer radialen Richtung und einer axialen Richtung der Spiraleinheit ist.
Spiral-Fluidmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die orbitierende Spirale, die den Expansionsbereich bildet, und die orbitierende Spirale, die den Verdichtungsbereich bildet, an derselben Fläche desselben Elementes ausgebildet sind.
Spiral-Fluidmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die orbitierende Spirale, die den Expansionsbereich bildet, und die orbitierende Spirale, die den Verdichtungsbereich bildet, an separaten Elementen ausgebildet sind und Flächen der Elemente, die keine Hülle bilden, so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen.
Spiral-Fluidmaschine gemäß Anspruch 4, des Weiteren mit einer Verbindungswelle, die die orbitierende Spirale, die den Expansionsbereich bildet, und die orbitierende Spirale, die den Verdichtungsbereich bildet, verbindet und eine Rotationsantriebskraft, die in dem Expansionsbereich durch Expansion des Arbeitsfluids erzeugt wird, zu dem Verdichtungsbereich überträgt.