DE3301140A1

DE3301140A1 - Volumetrische schnecken- und zahnrad-maschine

Info

Publication number: DE3301140A1
Application number: DE19833301140
Authority: DE
Inventors: Bernard 92200 Neuilly-sur-Seine Hauts-de-Seine Zimmern
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1983-07-21
Also published as: FR2541367B1; JPH0228682B2; GB2113307A; DE3301140C2; FR2541367A1; GB2113307B; IT1167107B; US4475877A; GB8300595D0; JPS58124001A; IT8347545A0

Description

PRINZ, BUNKE & PARTNER

l'.itciil.inw.iltc ί ji.ipca ι t'fiti.-tU Λ··ιιΐ riüy/s 3 301

München · Stuttgart

Bornard ZIMMERN 13. Januar 1983

27 rue Delabordere

92200 Neuj]ly-sur-Seine / Frankreich

Unser Zeichen: Z 430

Volumetrische Schnecken- und Zahnrad-Maschine

Es ist bekannt, Kompressoren, Pumpen oder Expansionsmaschinen gemäß der FR-PS 1 331 998 auszubilden, mit einer zylindrischen Schnecke, deren Gewindezähne mit einem, oder vorzugsweise zwei, symmetrischen Zahnrädern zusammenwirken, deren Zähne entlang den Gewindezähnen laufen und mit diesen Kompressions- oder Entspannungskammern bilden.

Bei derartigen vo.l umetrischen Maschinen hängt der Wirkungsgrad in hohem Maße von der Art und Weise ab, wie die Dichtigkeit der Schnecke am Hochdruck-Berührungsende erreicht wird, insbesondere bei Kompressoren, die ohne zusätzliche öleinspeisung zur Verwirklichung der Abdichtung arbeiten. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es nämlich zweckmäßig, auf eine solche öleinspeisung und die sich daraus ergebenden Konsequenzen möglichst zu verzichten. Ks ergibt sich nämlich, daß dieses Hochdruck-Ende über beinahe den gesamten Umfang der Schnecke mit

I ID /Ma

"^{: :} ° "" , 3301H0

dem unter Druck sichenden Gas; in Berührung ist, wobei diese Zone eine der längsten Leckagelinien der Maschine bildet.

Um einen Eindruck von den Größenordnungen zu vermitteln, sei eine Schnecke von 140 bis 240 mm Durchmesser angenommen, entsprechend einem durchlaufenden Volumen in der Größenordnung von 2500 bis 14000 Litern pro Minute bei einer Rotationsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 3000 Umdrehungen pro Minute; dabei ist es möglich, das Spiel am Hochdruckende der Schnecke in der Größenordnung von 0,1 bis 0,15 mm zu halten und durch dieses Spiel Leckagen zu erhalten, die weniger als 1 % des durchlaufenden Volumens betragen, wenn der Kompressor mit Üleinspeisung arbeitet und die Luft von 0 auf 7 Bar verdichtet.

Wenn hingegen ohne öleinspeisung gearbeitet wird, z.B. zur Verdichtung des Kältemittels R 22, und bei Einspeisung von flüssigem Kältemittel in die Kompressionskammer, um die Kompressionswärme abzuführen, so führen die genannten Werte für das Spiel zu Leckverlusten von mehr als 5 % des Durchsatzes. Um diese Verluste annehmbar zu machen und in die Größenordnung von weniger als 1 % zu bringen, müssen im Betrieb Werte des Spiels von weniger als 30 Mikron, vorzugsweise in der Größenordnung von 10 bis 15 Mikron, erreicht werden.

In Figur 1 der beigefügten Zeichnung ist eine Dichtungsvorrichtung gemäß der FR-PS 1 331 998 gezeigt, die'es ermöglicht, ein Spiel in der Größenordnung von 0,1 bis 0,15 mm zu erhalten.

Die Figur 1 zeigt einen Schnitt entlang der Achse der Schnecke durch die Ebene der Zahnräder eines Kompressors, einer Pumpe oder einer Entspannungsmaschine herkömmlicher Art, insbesondere nach der FR-PS 1 331 998, wobei diese

: :... .'.".■ ' . ■■ '"■: 3301 HO

Maschine eine mit Gewindezühnen 2 versehene Schnecke 1, die um eine Achse 3 im Inneren eines Gehäuses 4 rotiert, und zwei mit der Schnecke kämmende, symmetrische Zahnräder 5 umfaßt, deren Zähne mit 6 bezeichnet sind. Das

c Gehäuse weist eine Niederdrucköffnung 7 und eine Hochdrucköffnung 8 auf, von denen letztere gestrichelt eingezeichnet ist, da sie sich auf dem entfernten oberen Halbgehäuse in der Nähe der beiden Zähnräder befindet.

jg Die Schnecke ist auf einer Welle 9 gelagert, die in Lagern 10 und 11 rotiert, welche auf der Niederdruckseite (Ansaugseite für einen Kompressor) bzw. Hochdruckseite (Auslaßseite bei einem Kompressor) angeordnet sind.

Die Lager sind normalerweise auf die Bohrung 12 des Gehäuses zentriert.

Wie in der FR-PS 1 331 998 beschrieben ist, weist die Schnecke jenseits eines Kreises (gestrichelte Linie 14), der die Zone der Gewindezähne auf der Hochdruckseite begrenzt, eine massive Zone 13 auf, welche die Dichtigkeit zwischen dem Ende der Gewindezähne und einem Volumen 15 gewährleistet, das an das Hochdruckende der Schnecke angrenzt und mit der Ansaugseite 16 über Kanäle 17 in Verbindung ist.

Der massiv ausgebildete Teil 13 kann vorteilhafterweise mit einem Labyrinth 36 versehen sein, welches die Abdichtung verbessert.

Bei einer solchen Ausbildung ist es jedoch schwierig, radiales Spiel von weniger als 1/10 mm zwischen dem Labyrinth 36 und der Bohrung 12 zu erhalten. Der größte Teil der Exzentrizitäten des Labyrinths 36 in bezug auf die Achse des Lagers 11 kann beseitigt werden, indem die aus dem Labyrinth 36 und der Ablauffläche 17 der Lager 18 auf der Welle 9 gebildete Einheit bearbeitet wird,

also ohne sie von dem Bearbeitungsdorn abzunehmen, odui" indem die Lager 18 montiert werden, indem sie gegen ihre inneren und äußeren Rollkäfige gedrückt werden. Es ist jedoch schwierig, ohne aufwendige Bearbeitung das Montagespiel zwischen dem Lager 11 und der Bohrung 12 zu beseitigen, und dieses Spiel, das wegen der Größe der verwendeten Teile die Größenordnung von wenigstens einem Zehntelmillimeter aufweist, führt zu einer Exzentrizität, welche dieselbe Größenordnung aufweisen kann. In Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht analog Figur 1 gezeigt, jedoch für eine Anordnung nach der GB-PS 1 548 390.

Bei dieser Ausführung wird die Dichtigkeit durch einen kreisförmigen flachen Teil 19 gewährleistet, der mit dem Lager 11 fest verbunden ist, welches gegebenenfalls mit einem Labyrinth versehen sein kann. Die Hochdruckabdichtung wird also zwischen diesem Teil 19 und dem Ende 20 der Schnecke bewirkt.

Diese Lösung weist verschiedene Vorzüge auf: sie beseitigt die Schwierigkeiten, die hinsichtlich der Konzentrizität bei der Ausführung nach Figur 1 auftreten; sie ermöglicht die Verwendung von Anordnungen zur Einstellung der Kapazität des Kompressors durch Schieberelemente, wie sie in der GB-PS 1 555 329 beschrieben sind; schließlich kann das Spiel zwischen der Fläche 20 und dem Labyrinth 19 beim Zusammenbau beliebig eingestellt werden.

Der wesentliche Mangel dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß zum Erreichen einer annehmbaren Abdichtung die Kontaktzone zwischen den Flächen 19 und 20 relativ weit zur Mitte der Schnecke hin verlängert werden muß und sich dadurch ein für die Lager unannehmbarer axialer Druck ergibt, da zwischen den Flächen 19 und 20 ein

' Druck vorhanden ist, insbesondere bei Kühlmittelkompressoren, deren Ausstoßdruck überlicherweise 15 bis 25 Bar erreicht.

Aus der DE-PS 333 803 ist ferner eine Schnecken- und Zahnrad-Maschine bekannt, bei der jedes Lager einen Ring aufweist, der das benachbarte Ende der Schnecke umgibt. Durch diese Anordnung soll ein leichter Zugang c zu den Gewindezähnen der Schnecke erhalten werden, um diese reinigen zu können, ohne die Schnecke auszubauen. Ein solcher Ring ist zwar präzise auf dem Lager zentriert und kann also theoretisch mit sehr geringem Spiel zu der Schnecke montiert werden. In der Praxis läßt sich ■j^Q jedoch das Spiel auf diese Weise nur geringfügig vermindern, denn selbst bei sehr sorgfältiger Zentrierung tritt bei Unterschreiten eines bestimmten Spieles ein Festfressen auf.

Aufgabe der Erfindung ist die Behebung dieser Mängel durch eine volumetrische Maschine, in der ein sehr geringes Spiel zwischen dem Hochdruckende der Schnecke und den feststehenden Teilen gewährleistet ist, ohne jedoch das Auftreten eines übermäßigen axialen Druckes in Kauf zu nehmen.

Die erfindungsgemäße volumetrische Maschine mit zylindrischer, Gewindezähne aufweisender Schnecke, die drehbar im Inneren eines feststehenden Gehäuses angeordnet ist und mit den Zähnen wenigstens eines Zahnrades kämmt, wobei das Gehäuse mit wenigstens einer Niederdrucköffnung und wenigstens einer Hochdrucköffnung versehen ist, die in der Nähe des genannten Zahnrades angeordnet ist, und wobei die Schnecke eine Welle umfaßt, die drehbar in wenigstens einem Lager gelagert ist, das in dem Gehäuse auf der Seite der Hochdrucköffnung angeordnet ist und einen Ring trägt, dessen Bohrung mit sehr geringem Spiel einen zylindrischen Vorsprung umgibt, welcher die Schnecke über die mit Gewindezähnen versehene Schneckenzone hinaus verlängert, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus einem Metall gebildet ist, das verschieden von demjenigen der Schnecke ist und einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist.

3301 UO

Diese Lösung ermöglicht nämlich das einfache Erreichen des gewünschten Spi eis ohne die Mängel der zuvor erläuterten Lösungen.

Dieser Ring kann nämlich aus einer Hülse gebildet sein, die auf dem Lager montiert ist und auf dieses und folglich auf den Außenumfang der Schnecke genau zentriert ist. Da diese Hülse ferner aus einem anderen Metall als die Schnecke gebildet ist, und zwar aus einem Metall mit höherem Dehnungskoeffizienten, ist praktisch jede Möglichkeit des Festfressens beseitigt, und zwar zum einen wegen der unterschiedlichen Metalle und zum anderen weil zu Beginn des Festfressens die Hülse sich schneller ausdehnt als die Schnecke. Für den Fall, daß die Hülse mit einem Labyrinth versehen ist, z.B.mit einem Gewinde, kann ein äußerst präziser Abgleich erreicht werden. Ferner kann durch diese Ausbildung jeglicher axiale Druck auf die Schnecke auf sehr geringe Werte vermindert bzw. zum Verschwinden gebracht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die ferner die Anwendung von Schieberelementen ermöglicht, ist der Außendurchmesser des Ringes etwas geringer als der Durchmesser der Gehäusebohrung, in der die Schnecke rotiert, und die Schnecke trägt an ihrem Hochdruckende hinter der die Gewindezähne aufweisenden Zone eine kreisrunde Ausnehmung, die durch den Ring ausgefüllt wird.

Bei dieser Ausführungsform verbleibt ein axialer Druck, da die Hülse eine stirnseitige Abdichtung der in Figur dargestellten Art bewirkt; dieser Druck kann jedoch gering sein, da die Hülse dünn ausgebildet werden kann, denn der größte Teil der Abdichtung wird zwischen der Innenwand des Ringes und der daran angrenzenden Wandung des Vorsprungs erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt einer bekannten Anordnung;

Fig. 2 einen axialen Teilschnitt einer weiteren bekannten Anordnung;

Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht analog den

Figuren 1 und 2, jedoch zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 einen Teilschnitt einer anderen Ausführungsform.

In Figur 3 ist ersichtlich, daß das Lager 11 eine Ringhülse 21 trägt. Diese Ringhülse weist eine Bohrung 22 auf, die spielfrei auf einen zylindrischen Vorsprung des Lagers 11 aufgesetzt ist, z.B. durch ein Montageverfahren wie Aufpressen oder Aufschrumpfen durch Wärmeeinwirkung. Diese Ringhülse weist vorzugsweise auf ihrer zylindrischen Innenwandung ein Labyrinth 32 auf, das z.B. aus einem Gewinde gebildet ist, wobei der Innendurchmesser 23 der Gewindescheitel zum Zeitpunkt der Montage ein sehr geringes Spiel in bezug zu der zylindrischen Seitenwandung des VorSprungs 34 der Schnecke · aufweist oder sogar leicht klemmend darauf aufsitzt.

An ihrem ringförmigen, von dem Lager 11 abgewandten Ende weist die Ringhülse 21 eine ebene Stirnfläche 19a auf, die mit geringem Spiel einer Schulter 20a gegenüber angeordnet ist, welche die eine Fläche einer Ausnehmung 20 bildet, die umlaufend an dem Vorsprung 34 der Schnecke angebracht ist, wobei die zylindrische Wandung dieses Vorsprungs 34 einen Durchmesser aufweist, der kleiner als derjenige der die Gewindezähne aufweisenden Zone der Schnecke ist. Der Durchmesser der zylindrischen Außen-

wandung 24 der Ringhülso 21 ist geringer als derjenige der Bohrung 12 des Gehäuses, wobei das Spiel in Durchinesserrichtung ein bis zwei Zehntel (Millimeter) erreichen kann. Ferner ist die Ringhülse aus einem anderen

§ Metall als die Schnecke gebildet und weist einen höheren Wärmedehnungskoffizienten auf, z.B. aus Aluminium, wenn die Schnecke aus Gußeisen besteht.

Man beläßt ein geringes, jedoch ausreichendes Spiel,

^q damit keine Berührung zwischen der Stirnfläche 19a und der Fläche 20a auftritt (von denen die eine oder andere mit einer Spirale versehen sein kann, um der Gefahr des Festfressens vorzubeugen, falls die Flächen in Kontakt kommen sollten), Wenn das Labyrinth 32 mit dem Vorsprung 34 in Berührung kommt, dehnt sich der Ring schneller als die Schnecke, wobei das zwischen der Wandung und der Bohrung 12 verbleibende Spiel diese Ausdehnung zuläßt, so daß ein beginnendes Festfressen angehalten wird. Das Spiel zwischen der Wandung 24 und der Bohrung 12 hat, obwohl es groß ist, keinerlei praktische Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Kompressors, denn das unter Druck stehende Gas kann in Axialrichtung nicht entweichen. Es kann lediglich um die Ringhülse herum strömen und zu den Gewindezähnen der Schnecke entweichen, wo der Druck geringer ist; der Querschnitt dieses kreisrunden Schlitzes bleibt jedoch gering, und die von dem Gas in diesem Schlitz zurückgelegten Strecken sind sehr lang, so daß die Leckströmung also vernachlässigbar ist.

Es ist ersichtlich, daß durch die beschriebene Ausbildung, wie bei der Ausführung nach Figur 2, die Verwendung vo'n Fiberelementen gemäß der GB-PS 1 555 329 möglich ist, wobei jedoch im Unterschied zu dieser bekannten Ausführung der axiale Druck sehr gering sein kann, da die Ringhülse sehr dünn ausgebildet werden kann und die Abdichtung zwischen der Stirnfläche 19a und der Fläche 20a nur eine Bedeutung hat, die analog dem Spiel zwischen der

3301 UO

Wandung 24 und der Bohrunq 12 ist; der größte Teil der Abdichtung wird nämlich zwischen der Bohrung 23 und dem zylindrischen Vorsprung 34 erreicht. Ferner ist zu beachten, daß diese Bohrung 23 und dieser Vorsprung 34 präzise konzentrisch sein können, mit derselben Konzentrizitätspräzision wie die Lager, da die Einspannzone der Ringhülse gleichzeitig wie die Bohrung 23 bearbeitet werden kann, während diese auf dem Lagerteil 11 sitzen, gleichzeitig wie die Bohrung 25, durch welche die Lager ₁q zentriert sind.

In Figur 4 ist eine ähnliche Ausführung wie in Figur 3 gezeigt, jedoch ermöglicht die Ausführung nach Figur 4 die leichtere Anwendung von Schieberelementen gemäß der GB-PS 1 555 329, wobei ferner jeglicher axialer Druck entfällt. Bei dieser Ausbildung weist der Vorsprung der Schnecke denselben Durchmesser wie die Zone der Schnecke auf, in der sich die Gewindezähne befinden, während die Ringhülse 21a eine ringförmige Ausnehmung in der Bohrung 12 praktisch ausfüllt. Ein geringes axiales Spiel ist zwischen der Stirnfläche 19b der Ringhülse und einer ebenen Schulter 26 gebildet, welche eine der Flächen der Ausnehmung bildet. Die Ringhülse ist um die zylindrische Wandung 27 des Vorsprungs der Schnecke mit sehr geringem Spiel oder sogar mit Klemmung aufgesetzt, während die Schnecke insgesamt ein großes Spiel in der Größenordnung von einem Zehntelmillimeter oder mehr zur Bohrung 12 des Gehäuses aufweist.

Zu beachten ist ferner, daß die Schulter 20a (Figur 3) oder 26 (Figur 4) eine sekundäre Abdichtung gewährleistet, im Gegensatz zu der Anordnung nach der DE-PS 333 803, deren Aufgabe darin besteht, den Zugang zu den Gewindezähnen zu ermöglichen.

Die beschriebenen Ausführungsformen, die zylindrische, mit ebenen Zahnrädern zusammenwirkende Schnecken aufweisen, können nach demselben Erfindungsgedanken auf zylin-

■ ; 3301U0

-Vt-

drische Schnecken übertragen werden, die der FR-PS 1 586 832 entsprechen.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind zwar zwei Lager 10 und 11 auf den beiden Seiten der Schnecke vorgesehen, jedoch kann auch nur ein Lager 11 vorhanden sein, wobei dann die Schnecke freitragend gelagert ist.

Wenngleich ferner der Ring als auf das Lagerteil 11 aufgesetzte Ringhülse 21 gezeigt ist, was insbesondere zutreffen kann, wenn das Gehäuse, die Schnecke und das Lagerteil aus Gußeisen sind, so kann der Ring auch einteilig mit dem Lagerteil ausgebildet sein, z.B. wenn er wegen der Betriebsbedingungen aus einem anderen Metall als die Schnecke gebildet ist und einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist wie z.B. Aluminium.

Claims

Patentansprüche

Volumetrische Maschine mit einer zylindrischen, Gewindezähne (2) aufweisenden Schnecke (1), die drehbar im Inneren eines feststehenden Gehäuses (4) montiert ist und mit den Zähnen (6) wenigstens eines Zahnrades (5) kämmt, wobei das Gehäuse (4) mit wenigstens einer Niederdrucköffnung (7) und wenigstens einer Hochdrucköffnung (8) versehen ist, die in der Nähe des genannten Zahnrades (5) angeordnet ist, wobei die Schnecke (1) eine Welle (9) aufweist, die drehbar in wenigstens einem Lager (10, 11) angeordnet ist, welches in dem Gehäuse (4) auf der Seite der Hochdrucköffnung (8) angeordnet ist und einen Ring trägt, welcher eine Bohrung (23) aufweist, die mit sehr geringem Spiel einen zylindrischen Vorsprung (34) umgibt, der die Schnecke über die mit Gewindezähnen versehene Zone der Schnecke hinaus verlängert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21) aus einem anderen Metall als die Schnecke gebildet ist und einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist.

HD/Ma

: L..f: ■: .X":; 3301 UO

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Dichtungsring bildende Ring eine äußere rotationssymmetrische Seitenwandung aufweist, die ein geringes Spiel zu einer Wandung (11) komplementären Profils an dem Gehäuse (4) aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring auf seiner den Vorsprung (34) der Schnecke (1) umgebenden Fläche ein Abdichtungslabyrinth aufweist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Dichtungsring bildende Ring (21, 21a) mit geringer Klemmung auf dem Vorsprung

(34) der Schnecke (1) montiert ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke an ihrem Hochdruck-

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21a) auf seiner von dem Lager (11) abgewandten Seite eine Stirnfläche (19b) aufweist, die einer Schulter (26) gegenüberliegt, welche an dem Gehäuse (4) eine Fläche der durch den Ring ausgefüllten Ausnehmung bildet.