DE102013021249A1

DE102013021249A1 - Arrangement for supporting an orbiting movable eccentric disc

Info

Publication number: DE102013021249A1
Application number: DE102013021249.9A
Authority: DE
Inventors: Roland Dold; Christian Gürlich; Frank Obrist
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-14
Filing date: 2013-12-14
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (14) zum Lagern einer orbitierend beweglichen Exzenterscheibe (5) gegenüber einer Anlagefläche (15) in einer Scroll-Maschine (1) wobei die Anordnung (14) einen Anlagering (16) aus einem Gleitlagerwerkstoff aufweist.The invention relates to an arrangement (14) for supporting an orbiting movable eccentric disc (5) relative to a contact surface (15) in a scroll machine (1), wherein the arrangement (14) has an abutment ring (16) made of a sliding bearing material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Lagern einer orbitierend beweglichen Exzenterscheibe gegenüber einer Anlagefläche in einer Scroll-Maschine.The invention relates to an arrangement for supporting an orbitally movable eccentric disc relative to a contact surface in a scroll machine.

Scroll-Maschinen sind Fluidenergiemaschinen, in denen mechanische Arbeit mit einem Fluid ausgetauscht wird. Eine Scroll-Maschine weist eine stationäre Statorscheibe mit einer Statorspirale und eine gegenüber der Statorscheibe orbitierend bewegliche Exzenterscheibe mit einer Exzenterspirale auf, die mit der Statorspirale zur Bildung einer Druckkammer für das Fluid zwischen der Statorscheibe und der Exzenterscheibe verschachtelt ist. Hierbei ist eine Volumenänderung der Druckkammer ist mit einer orbitierenden Bewegung der Exzenterscheibe verknüpft.Scroll machines are fluid energy machines in which mechanical work is exchanged with a fluid. A scroll machine has a stationary stator disk with a stator spiral and an eccentric disk orbitingly movable with respect to the stator disk with an eccentric spiral which is nested with the stator spiral to form a pressure chamber for the fluid between the stator disk and the eccentric disk. Here, a change in volume of the pressure chamber is linked to an orbiting movement of the eccentric disc.

Eine Scroll-Maschine kann als Scroll-Expander benutzt werden, wobei ein expandierendes Fluid die orbitierende Bewegung verursacht, die durch einen Exzenter in eine rotatorische Bewegung umgesetzt wird. Über diese rotatorische Bewegung wird eine Elektromaschine betrieben.A scroll machine can be used as a scroll expander, wherein an expanding fluid causes the orbiting motion, which is translated by an eccentric into a rotational movement. About this rotational movement, an electric machine is operated.

Eine Scroll-Maschine kann ebenso als Scroll-Kompressor benutzt werden, wobei eine Elektromaschine den Exzenter in eine rotatorische Bewegung versetzt, die dieser in eine orbitierende Bewegung umsetzt, durch die ein Fluid komprimiert wird. Durch Umkehr der Rotationsrichtung kann die Scroll-Maschine auch als Scroll-Pumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks verwendet werden. Die Exzenterscheibe wird meist auf seiner der Statorscheibe abgewandten Seite gelagert, das heißt gestützt und geführt, beispielsweise durch ein Anlageblech. Hierzu weist die Exzenterscheibe meist eine harte, verschleißfeste Berührebene auf, beispielsweise aus hart-eloxiertem Aluminium.A scroll machine can also be used as a scroll compressor, with an electric machine causing the eccentric to rotate, converting it into orbital motion that compresses a fluid. By reversing the direction of rotation, the scroll machine can also be used as a scroll pump to generate a negative pressure. The eccentric disc is usually mounted on its side facing away from the stator, that is supported and guided, for example by an abutment plate. For this purpose, the eccentric disc usually has a hard, wear-resistant touch level, for example made of hard-anodized aluminum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zum Lagern der Exzenterscheibe anzugeben.The invention has for its object to provide an improved arrangement for supporting the eccentric disc.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by an arrangement with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß beinhaltet eine Anordnung zum Lagern einer orbitierend beweglichen Exzenterscheibe gegenüber einer Anlagefläche in einer Scroll-Maschine einen Anlagering aus einem Gleitlagerwerkstoff, insbesondere einem weichen, einlauffähigen Lagerwerkstoff, der auch Trockenlauf und Notlaufeigenschaften besitzt. Der Anlagering aus dem Gleitlagerwerkstoff stützt und führt die orbitierend bewegliche Exzenterscheibe der Scroll-Maschine und kann auch eine Dichtfunktion erfüllen, beispielsweise zum Abdichten einer Gegendruckkammer (Backpressure) zum Andrücken der orbitierend beweglichen Exzenterscheibe an die Statorscheibe gegen den in der Druckkammer herrschenden Druck. Als Gleitlagerwerkstoff können insbesondere Gemenge aus einem Festschmierstoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen und Bronze verwendet werden. Ebenso kommen Vollbronze oder ein sonstiger Gleitlagerwerkstoff in Betracht.According to the invention, an arrangement for supporting an orbiting movable eccentric disc relative to a contact surface in a scroll machine includes an abutment ring made of a sliding bearing material, in particular a soft, einlauffähige bearing material, which also has dry running and runflat. The abutment ring of the sliding bearing material supports and guides the orbiting movable eccentric disc of the scroll machine and can also perform a sealing function, for example for sealing a back pressure chamber for pressing the orbiting movable eccentric disc against the stator disc against the pressure prevailing in the pressure chamber. As a sliding bearing material in particular mixtures of a solid lubricant, such as polytetrafluoroethylene and bronze can be used. Likewise, full bronze or any other bearing material come into consideration.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Schnittansicht einer Scroll-Maschine umfassend eine stationäre Statorscheibe und eine orbitierend bewegliche Exzenterscheibe sowie einer Anordnung zum Lagern der Exzenterscheibe gegenüber einer an einer Anpressvorrichtung vorgesehenen Anlagefläche, 1 1 is a schematic sectional view of a scroll machine comprising a stationary stator disk and an orbitally movable eccentric disk and an arrangement for supporting the eccentric disk with respect to a contact surface provided on a pressure device,

2 eine schematische Detailschnittansicht der Anordnung zum Lagern der Exzenterscheibe, umfassend einen Anlagering aus einem Gleitlagerwerkstoff, 2 a schematic detail sectional view of the arrangement for supporting the eccentric disc, comprising an abutment ring made of a sliding bearing material,

3 eine schematische Darstellung einer Dichtfläche des Anlagerings, und 3 a schematic representation of a sealing surface of the Anlagings, and

4 eine schematische Detailschnittansicht einer Ausführungsform des Anlagerings. 4 a schematic detail sectional view of an embodiment of the Anlagings.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Scroll-Maschine 1. Die Scroll-Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine stationäre Statorscheibe 3 mit einer Statorspirale 4 und eine gegenüber der Statorscheibe 3 orbitierend bewegliche Exzenterscheibe 5 mit einer Exzenterspirale 6, die mit der Statorspirale 4 zur Bildung einer Druckkammer 7 für ein Fluid zwischen der Statorscheibe 3 und der Exzenterscheibe 5 verschachtelt ist, angeordnet sind. Die Statorscheibe 3 weist einen Hochdruckanschluss 8 zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Fluids und einen Niederdruckanschluss 9 zur Ableitung des Fluids auf. 1 shows a schematic view of a scroll machine 1 , The scroll machine 1 has a housing 2 in which a stationary stator disk 3 with a stator spiral 4 and one opposite the stator disk 3 orbiting movable eccentric disc 5 with an eccentric spiral 6 that with the stator spiral 4 for forming a pressure chamber 7 for a fluid between the stator disc 3 and the eccentric disc 5 is nested, arranged. The stator disc 3 has a high pressure connection 8th for supplying a pressurized fluid and a low pressure port 9 for the discharge of the fluid.

Zum Abdichten der Druckkammer 7 ist eine Anpressvorrichtung 11 in Form einer Gegendruckkammer 12 vorgesehen, die durch Einleiten von unter Druck stehendem Fluid (Backpressure) die Exzenterscheibe 5 in Richtung der Statorscheibe 3 mit einer Anpresskraft beaufschlagen kann. Das Fluid kann der Gegendruckkammer 12 beispielsweise über eine Steuerleitung (nicht dargestellt) zwischen dem Hochdruckanschluss 8 und der Gegendruckkammer 12 oder durch eine Mitteldruckanzapfung (nicht dargestellt) der Druckkammer 7 zugeleitet werden.For sealing the pressure chamber 7 is a pressure device 11 in the form of a back pressure chamber 12 provided by introducing pressurized fluid (backpressure) the eccentric disc 5 in the direction of the stator disc 3 can apply a contact force. The fluid can the back pressure chamber 12 for example via a control line (not shown) between the high pressure port 8th and the back pressure chamber 12 or by a medium-pressure tap (not shown) of the pressure chamber 7 be forwarded.

Die Anpressvorrichtung 11 sorgt dafür, dass entgegen dem Druck des Fluids in der Scroll-Maschine 1 ein Spalt zwischen der Exzenterspirale 6 und der Statorscheibe 3 und ein Spalt zwischen der Statorspirale 4 und der Exzenterscheibe 5 möglichst nahezu geschlossen ist, so dass ein Druckgefälle innerhalb der Scroll-Maschine 1 weitgehend vollständig ausgenutzt werden kann.The pressing device 11 Ensures that against the pressure of the fluid in the scroll machine 1 a gap between the eccentric spiral 6 and the stator disk 3 and a gap between the stator spiral 4 and the eccentric disc 5 as close as possible, leaving a pressure gradient within the scroll machine 1 can be fully utilized to a large extent.

Es ist eine Anordnung 14 zum Lagern der Exzenterscheibe 5 gegenüber einer Anlagefläche 15 in der Scroll-Maschine 1 vorgesehen, die einen Anlagering 16 aus einem Gleitlagerwerkstoff aufweist. Der Gleitlagerwerkstoff ist insbesondere ein weicher, einlauffähiger Lagerwerkstoff, der auch Trockenlauf und Notlaufeigenschaften besitzt. Der Anlagering 16 aus dem Gleitlagerwerkstoff stützt und führt die orbitierend bewegliche Exzenterscheibe 5 der Scroll-Maschine 1 und erfüllt eine Dichtfunktion zum Abdichten der Gegendruckkammer 12. Als Gleitlagerwerkstoff können insbesondere Gemenge aus einem Festschmierstoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen und Bronze verwendet werden. Ebenso kommen Vollbronze oder ein sonstiger Gleitlagerwerkstoff in Betracht In einer weiteren Ausführungsform kommen als Gleitlagerwerkstoff Gemenge aus Polytetrafluorethylen mit anderen Stoffen zum Einsatz.It is an arrangement 14 for supporting the eccentric disc 5 opposite a contact surface 15 in the scroll machine 1 provided an attachment ring 16 made of a sliding bearing material. The sliding bearing material is in particular a soft, einlauffähiger bearing material, which also has dry running and emergency running properties. The investment ring 16 from the sliding bearing material supports and guides the orbiting movable eccentric disc 5 the scroll machine 1 and fulfills a sealing function for sealing the back pressure chamber 12 , As a sliding bearing material in particular mixtures of a solid lubricant, such as polytetrafluoroethylene and bronze can be used. Likewise, full bronze or another slide bearing material are considered. In another embodiment, mixtures of polytetrafluoroethylene with other materials are used as the slide bearing material.

2 zeigt eine schematische Detailansicht der Anordnung 14 zum Lagern der Exzenterscheibe 5 mit dem Anlagering 16. Der Anlagering 16 weist an seiner Außenkante auf der der Anlagefläche 15 zugewandten Dichtfläche 18 eine Schmierfase 17 auf, um eine gute Schmierfilmbildung zu erzielen. Die Schmierfase 17 dient bei der orbitierenden Bewegung der Exzenterscheibe 5 auch als Einlauffase. Alternativ oder zusätzlich kann an der Innenkante der der Anlagefläche 15 zugewandten Dichtfläche 18 des Anlagerings 16 eine Schmierfase (nicht dargestellt) vorgesehen sein. 2 shows a schematic detail view of the arrangement 14 for supporting the eccentric disc 5 with the attachment ring 16 , The investment ring 16 has at its outer edge on the contact surface 15 facing sealing surface 18 a smudge 17 on to achieve a good filming. The lubricating phase 17 used in the orbiting motion of the eccentric disc 5 also as inlet chamois. Alternatively or additionally, on the inner edge of the contact surface 15 facing sealing surface 18 of the investment ring 16 a lubricating chamfer (not shown) may be provided.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Anlagering 16 auf der der Anlagefläche 15 zugewandten Dichtfläche 18 ballig gebildet sein, um eine gute Schmierfilmbildung zu erzielen.In an alternative embodiment, not shown, the abutment ring 16 on the contact surface 15 facing sealing surface 18 be formed crowned in order to achieve a good lubricating film formation.

3 zeigt in einer starken Vergrößerung eine schematische Darstellung der Dichtfläche 18 des Anlagerings 16 mit einem Gemenge aus Bronze 19 und einem Festschmierstoff 20, beispielsweise Polytetrafluorethylen. Die Bronze 19 kann beispielsweise eine der Legierungen CuSn8 oder CuSn8P nach DIN EN 12449 sein. CuSn8P zeigt besonders gute Gleiteigenschaften im Mischreibungsbereich. 3 shows in a strong magnification a schematic representation of the sealing surface 18 of the investment ring 16 with a mixture of bronze 19 and a solid lubricant 20 For example, polytetrafluoroethylene. The bronze 19 For example, one of the alloys CuSn8 or CuSn8P after DIN EN 12449 be. CuSn8P shows particularly good sliding properties in the mixed friction range.

4 ist eine schematische Detailschnittansicht einer Ausführungsform des Anlagerings 16, dessen der Anlagefläche 15 zugewandte Dichtfläche 18 schräg gestellt ist, das heißt von einer Normalrichtung bezüglich einer Rotationsachse des Anlagerings 16 abweicht, so dass die Dichtfläche 18 des Anlagerings 16 ihrer Außenkante an der Anlagefläche 15 anliegt, während sich zur Innenkante hin ein Spalt ergibt. Die Abweichung der Dichtfläche 18 des Anlagerings 16 von der Normalrichtung beträgt beispielsweise maximal 5°. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Schrägstellung von etwa 1,5° erwiesen. 4 is a schematic detail sectional view of an embodiment of the abutment ring 16 whose, the bearing surface 15 facing sealing surface 18 is inclined, that is from a normal direction with respect to a rotation axis of the Anlagings 16 deviates, leaving the sealing surface 18 of the investment ring 16 its outer edge on the contact surface 15 is present, while there is a gap to the inner edge. The deviation of the sealing surface 18 of the investment ring 16 from the normal direction is for example a maximum of 5 °. Particularly advantageous is an inclination of about 1.5 ° has been found.

In einer Ausführungsform ist der Anlagering 16 auf die Exzenterscheibe 5 aufgepresst. Auf diese Weise kann das Material der Exzenterscheibe 5 vom Anlagering 16 getrennt gefertigt werden.In one embodiment, the abutment ring 16 on the eccentric disc 5 pressed. In this way, the material of the eccentric disc 5 from the investment ring 16 be made separately.

Zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie wird das unter Druck stehende Fluid der Scroll-Maschine 1 am Hochdruckanschluss 8 zugeführt und aus der Scroll-Maschine 1 am Niederdruckanschluss 9 abgeführt.To convert energy from a pressurized fluid to mechanical energy, the pressurized fluid of the scroll machine 1 at the high pressure connection 8th fed in and out of the scroll machine 1 at the low pressure connection 9 dissipated.

Die Scroll-Maschine 1 kann als Kompressor, als Vakuumpumpe oder als Expander zur Umwandlung mechanischer Energie aus einem in der Scroll-Maschine 1 expandierenden, die Exzenterspirale 6 antreibenden Fluid in elektrische Energie in einem durch die Exzenterspirale 6 angetriebenen Generator (nicht gezeigt), beispielsweise in einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery), insbesondere Abgaswärmerückgewinnung (Exhaust Heat Recovery) aus einer Brennkraftmaschine, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. In diesem Fall wird als Fluid ein Arbeitsmittel aus einem über einen Wärmetauscher mittels Abgaswärme beheizten Arbeitsmittelkreislauf verwendet, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht. Die Scroll-Maschine 1 ist dabei in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittel durchströmbar, wobei ein Expansionsverhältnis der Scroll-Maschine 1 und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmitteln zur Scroll-Maschine 1 veränderbar sein können bzw. kann.The scroll machine 1 Can be used as a compressor, as a vacuum pump or as an expander to convert mechanical energy from one in the scroll machine 1 expanding, the eccentric spiral 6 driving fluid into electrical energy in a through the eccentric spiral 6 driven generator (not shown), for example in a waste heat recovery apparatus, in particular exhaust heat recovery from an internal combustion engine, for example in a motor vehicle. In this case, the fluid used is a working fluid from a working fluid circuit heated via a heat exchanger by means of exhaust gas heat, it being possible to carry out a process flow within the working fluid circuit which corresponds to that of a Rankine cycle or an Organic Rankine cycle. The scroll machine 1 is in the direction of expansion of the circulating in the working fluid circulating fluid, wherein an expansion ratio of the scroll machine 1 and / or a supply of work equipment to the scroll machine 1 can be changeable or can.

Vorteilhafterweise ist ein Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs der Scroll-Maschine 1 zentrisch zuführbar.Advantageously, a working means of the working fluid circuit of the scroll machine 1 can be fed in centrally.

Ein Expansionsdruckgefälle innerhalb der Scroll-Maschine 1 ist von der Geometrie der Statorspirale 4 und der Exzenterspirale 6 abhängig. Diese Geometrie ist somit zweckmäßigerweise bei der Konstruktion der Scroll-Maschine 1 an die jeweiligen Bedingungen im Arbeitsmittelkreislauf anpassbar.An expansion pressure gradient within the scroll machine 1 is from the geometry of the stator spiral 4 and the eccentric spiral 6 dependent. These Geometry is thus expediently in the construction of the scroll machine 1 adaptable to the respective conditions in the working medium cycle.

Die Statorspirale 4 und die Exzenterspirale 6 können als archimedische Spiralflächen ausgeformt sein, welche um 180° im Uhrzeigersinn gegeneinander verdreht angeordnet sind.The stator spiral 4 and the eccentric spiral 6 can be formed as Archimedean spiral surfaces, which are arranged rotated by 180 ° clockwise against each other.

Somit kann nahezu die gesamte, im Betrieb einer Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie im Arbeitsmittelkreislauf und in der Scroll-Maschine 1 genutzt werden.Thus, almost all, incurred in the operation of an internal combustion engine loss heat energy in the working fluid circuit and in the scroll machine 1 be used.

Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.By using the heat loss of the internal combustion engine, the efficiency of the internal combustion engine is increased.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Scroll-MaschineThe scroll machine
22: Gehäusecasing
33: Statorscheibestator
44: StatorspiraleStatorspirale
55: Exzenterscheibeeccentric
66: ExzenterspiraleExzenterspirale
77: Druckkammerpressure chamber
88th: HochdruckanschlussHigh pressure port
99: NiederdruckanschlussLow pressure port
1111: Anpressvorrichtungpressing device
1212: GegendruckkammerBack pressure chamber
1414: Anordnung zum Lagern der ExzenterscheibeArrangement for supporting the eccentric disc
1515: Anlageflächecontact surface
1616: AnlageringAnlagenring
1717: SchmierfaseSchmierfase
1818: Dichtflächesealing surface
1919: Bronzebronze
2020: Festschmierstoffsolid lubricant

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN 12449 [0022]

Claims

Arrangement ( 14 ) for supporting an orbiting movable eccentric disc ( 5 ) against a contact surface ( 15 ) in a scroll machine ( 1 ), characterized in that the arrangement ( 14 ) an attachment ring ( 16 ) comprises a sliding bearing material.

Arrangement ( 14 ) according to claim 1, characterized in that the sliding bearing material bronze ( 19 ) includes or is.

Arrangement ( 14 ) according to claim 2, characterized in that the sliding bearing material contains or is polytetrafluoroethylene.

Arrangement ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the abutment ring ( 16 ) at least one lubricating phase ( 17 ) having.

Arrangement ( 14 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the abutment ring ( 16 ) is formed spherically on at least one side.

Scroll machine ( 1 ) comprising a stationary stator disk ( 3 ) with a stator spiral ( 4 ) and one opposite the stator ( 3 ) orbiting movable eccentric disc ( 5 ) with an eccentric spiral ( 6 ) with the stator spiral ( 4 ) for forming a pressure chamber ( 7 ) for the fluid between the stator disc ( 3 ) and the eccentric disc ( 4 ) is nested, wherein for sealing the pressure chamber ( 7 ) a pressing device ( 11 ) is provided, through which the eccentric disc ( 5 ) in the direction of the stator disc ( 3 ) can be acted upon by a contact force, characterized in that an arrangement ( 14 ) according to one of the preceding claims for supporting the eccentric disc ( 5 ) with respect to one on the pressing device ( 11 ) ( 15 ) is provided.

Scroll machine ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the pressing device ( 11 ) as a back pressure chamber ( 12 ) is formed, which is acted upon by the pressurized fluid, wherein the abutment ring ( 16 ) of the arrangement ( 14 ) for sealing the back pressure chamber ( 12 ) is trained.

Scroll machine ( 1 ) according to one of claims 6 or 7, characterized in that one of the contact surface ( 15 ) facing sealing surface ( 18 ) of the investment ring ( 16 ) from a normal direction with respect to a rotation axis of the abutment ring ( 16 ) deviates.

Scroll machine ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the deviation of the sealing surface ( 18 ) of the investment ring ( 16 ) of the normal direction is at most 5 °, in particular about 1.5 °.

Scroll machine ( 1 ) according to one of claims 6 to 9, characterized in that the abutment ring ( 16 ) on the eccentric disc ( 5 ) is pressed.