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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Struktur zum Minimieren des Separierdrucks bei einem Spiralverdichter
durch Ablassen eines Zwischenansaugdrucks an die Spitze von mindestens
einem der Spiral-Elemente.
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Spiralverdichter sind dabei, in der
Heizungs-, Lüftungs-
und Klimaanlagenindustrie (HVAC) sowie der Kühlindustrie weit akzeptiert
zu werden. Spiralverdichter sind relativ kostengünstig und typischerweise effizienter
und geräuschärmer als
Hubkolbenverdichter-Pendants. Die Spiralverdichtertechnologie entwickelte
sich während
der vergangenen, paar Jahre stark weiter. Jedoch bereitet eine Spiralverdicherkonstruktion
immer noch Herausforderungen, um einen zuverlässigen Betrieb über einen
breiten Bereich von Ansaug- und Abgabebedingungen zu erreichen.
Eine größere Herausforderung
ist das Reduzieren der Separierkraft zwischen dem umlaufenden und
dem festen Spiralelement.
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1 ist
eine Ansicht eines bekannten Spiralverdichters 20. Eine
umlaufende Spirale 22 ist über eine Welle 24 angetrieben,
um sich relativ zu einer festen Spirale 26 zu bewegen und
um ein zwischen der umlaufenden Spirale 22 und der festen Spirale 26 eingefangenes
Fluid zu verdichten. Die feste Spirale 26 weist eine Spiralwindung 28 auf,
und die umlaufende Spirale weist eine Spiralwindung 27 auf.
Wie bekannt ist, berühren
die zwei Spiralwindungen sich an mehreren Punkten entlang der Flanken gegenseitig
sowie die entgegengesetzten Basisplatten, was Verdichterkammern
zwischen der festen und der umlaufenden Spiralwindung definiert.
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Ein zwischen der umlaufenden Spirale 22 und
der festen Spirale 26 gefangenes Kühlmittel erzeugt eine Separierkraft,
die tendenziell die zwei Spiralelemente voneinander weg bewegt.
Es ist wünschenswert,
die zwei Spiralelemente mit einander in Berührung zu halten, um ein Lecken
zu minimieren und eine Instabilität zu vermeiden. Wenn ein Spiralverdichter
instabil wird, ist die umlaufende Spirale nicht in einem Gleichgewichtszustand.
Stattdessen kann sie schwenken oder kippen, bis sie mit einem anderen
mechanischen Element in Berührung kommt.
Dieser Vorgang, gekoppelt mit der Umlaufbewegung der umlaufenden
Spirale, führt
zu einer Art von Taumelbewegung, wobei eine axiale Berührung entlang
der Kante des Teils auftritt. Dieses Taumeln oder diese Instabilität führt zu einem
Lecken durch die Spalte, die durch die separierten Spitzen geöffnet wurden,
zu einer Kantenbelastung der Spiralenoberflächen und zu einer winkelmäßigen Fehlausrichtung des
Spiralenantriebslagers. All dies könnte schnell zu einem Leistungsverlust
oder einem frühzeitigen
Ausfall des Verdichters führen.
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Im Ergebnis versucht die Separierkraft
die umlaufende Spirale 22 von der festen Spirale 26 wegzudrücken. Um
diese Separierkraft zu bekämpfen,
wird eine Gegendruckkammer 29 zwischen zwei Dichtelementen 30 und 32 geschaffen,
die in einem Kurbelgehäuse 33 angebracht
sind, das auch an der festen Spirale 26 befestigt ist.
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Eine Gegendruckkammer
29 erhält ein Fluid von
einem Durchlass, beispielsweise Durchlass
34. Die Aspekte
eines Verdichters
20, die bis zu diesem Punkt beschrieben
sind, sind in der Technik bekannt und bilden keinen Teil dieser
Erfindung. Ein Beispiel für
einen Spiralverdichter, der eine Gegendruckkammer aufweist, ist
US 4 600 369 , während EP
0 065 261 ein Reduzieren eines Leckens zwischen der Kammer mit hohem
Druck und der Kammer mit niedrigem Druck mittels eines Dichtelements
lehrt.
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Jedoch ist die Gegendruckkammerkraft
wegen der Platzbeschränkungen
in dem Gegendruckkammerbereich und des maximal erreichbaren Gegendrucks
in ihrer Größe beschränkt. Im
Wesentlichen muss die Kraft in der Gegendruckkammer 29 die
Separierkraft überwinden
und eine umlaufende Spirale 22 aufwärts gegen eine feste Spirale
pressen, sowie hoch genug sein, um eine Instabilität einer umlaufenden
Spirale zu vermeiden. Dieses Pzublem wird bei Kühlanwendungen mit einem weiten
Bereich von Betriebsdrücken
besonders ausgeprägt.
Folglich wäre
es am wünschenswertesten,
die Speparierkraft zu reduzieren, um die Beschränkungen für den Betriebsbereich des Verdichters
zu minimieren.
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Die Separierkraft über einen
Bereich der Spirale ist grafisch in 2 dargestellt.
Die unterbzuchene Linie 28 zeigt die Stelle über dem
Spitzenbereich einer Spiralwindung. Wie bekannt ist, wird auf eine Seite
der Windung 28 ein höherer
Druck aufgebracht, und auf der entgegengesetzten Seite besteht ein niedriger
Druck. Die Separierkraft ergibt sich aus dem Druck multipliziert
mit der Fläche, über die
der Druck aufgebracht ist.
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Die vorliegende Erfindung ist auf
ein Reduzieren der Komponente einer Separierkraft gerichtet, die über eine
Spiralwindungsspitze aufgebracht wird. Es gibt einen Druckübergang
oder Druckgradienten 35 über die Spitze einer Spiralwindung 28.
Der Übergang
kann durch die Annahme eines geradlinigen Gefälles zwischen dem hohen Druck
und dem niedrigen Druck über
die Breite der Spirale abgeschätzt werden.
Obwohl diese Abschätzung
nicht immer genau sein mag, ist sie im Generellen eine gute Näherung.
In Praxis jedoch gibt es einige Abweichungen, und der Druckgradient
hat nicht immer ein konstantes Gefälle. Das Pzublem, das durch
diese Erfindung zu lösen
ist, wird unter Bezugnahme auf das konstante Druckgefälle, das
in 2 gezeigt ist, erläutert. Man sollte
jedoch verstehen, dass das Gefälle
eine Kurve sein kann oder eine andere unregelmäßige Form haben kann. Das zu
lösende
Pzublem besteht jedoch weiterhin.
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Wie in 2 gezeigt
ist, gibt es einen sich ändernden
Druck über
die Breite einer Spiralwindung 28, der durch die Querschraffur
unter dem Gradient 35 gezeigt ist. Dieser Druck multipliziert
mit der Fläche,
die er abdeckt, trägt
zu einem Teil der Separierkraft bei. Ursprünglich waren Spiralwindungen
dünn und
von einer konstanten Breite. Die Separierkraftkomponente über die
Spiralwindungsspitzen war bei diesem Typ von Systemen des Standes
der Technik war relativ klein, da die Fläche der Spiralwindung relativ
klein war.
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Jedoch wurden jüngst Spiralwindungen mit variierender
Breite entwickelt, wie beispielsweise in 1 gezeigt ist. Diese Spiralwindungen
mit variierender Breite weisen einige relativ breite Stellen auf. An
den breiten Stellen wird die Separierkraftkomponente über die
Spiralwindungsspitzen signifikant, und so wird es vorteilhaft, sie
wegen der oben genannten Gründe
zu reduzieren.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Spiralverdichter, wie in Anspruch 1 beansprucht, bereitgestellt.
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Eine beschriebene Ausführungsform
dieser Erfindung minimiert die Separierkraftkomponente, die durch
einen Druck über
die Spiralwindungsspitzen erzeugt wird. Bei den Ausführungsformen
dieser Erfindung wird ein Fluid mit einem niedrigen Druck zu einer
Stelle zwischen der Spiralwindungsspitze und der gegenüberliegenden
Spiralplatte geleitet. Auf diese Weise ist die Spiralwindung über dem
Hauptteil ihrer Breite nur einem niedrigen Druck ausgesetzt. Der
Gradient von hohem Druck zu niedrigen Druck tritt nur über einen
relativ kleinen Bereich der Spiralwindungsbreite auf. Folglich ist
die Gesamtkomponente der Separierkraft auf Grund der Spiralwindungsbreite
bedeutend reduziert. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere
bei Kühlanwendungen
vorteilhaft, wo die Separierkraft und die Kippmomente hoch sind.
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Eine Ausführungsform zum Ausführen dieser Erfindung
benutzt flache Ausnehmungen, die axial in die Spiralwindung ragen.
Die Ausnehmungen erstrecken sich zu der Seite der Spiralwindung
mit niedrigem Druck und leiten ein Fluid mit einem niedrigen Druck
in den Raum, der durch die Ausnehmungen an einer Spitze einer Spiralwindung
erzeugt wurde. Der Gradient von hohem Druck zu niedrigem Druck beginnt
im Wesentlichen erst ab einer Stelle hinter der Ausnehmung. Die
vorliegende Erfindung reduziert folglich den Gradienten von ho hem
Druck zu niedrigem Druck auf einen kleineren Bereich der Windungen.
Der übrig
bleibende Bereich der Spiralwindung wird unter dem niedrigen Druck
gehalten. Folglich ist die Gesamtseparierkraftkomponente auf Grund
von Druck auf die Spiralwindungsspitze stark reduziert. Diese Erfindung
hat insbesondere eine nützliche
Anwendung bei dem Typ von Spiralwindung mit einer gzußen Breite,
welche bei Spiralwindungen mit einer variierenden Breite auftritt.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Ausnehmungen
voneinander separiert. Dieses Merkmal minimiert die Wahrscheinlichkeit
eines Leckens entlang der Spiralwindung in einer Richtung entlang
des Umfangs von der Seite mit hohem Druck zu der Seite mit niedrigem
Druck. Bei bevorzugten Merkmalen dieser Erfindung beträgt die Tiefe
der Ausnehmung weniger als 200 μm.
Besonders bevorzugt beträgt
die Tiefe der Ausnehmungen 20 μm
oder weniger.
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Bei einer zweiten Ausführungsform
dieser Erfindung wird das Zwischendruckfluid in Nuten oder eine
Serie von Nuten, die an der Spiralwindungsspitze gebildet sind,
geleitet. Ein Durchlass zu dem Fluid mit niedrigem Druck stellt
eine Verbindung in die Nut her. Die Spiralwindungsspitze wird einem
niedrigen Druck zwischen der Nut und sich nach außen zu der Seite
der Spirale mit niedrigem Druck erstreckend ausgesetzt sein. Der
Gradient von hohem Druck zu niedrigem Druck wird von der Nut zu
der Abgabedruckseite der Windung auftreten. Da der Gradient über einen
relativ kleinen Bereich der Seite auftritt, wird die Gesamtseparierkraftkomponente
von diesem Gradienten reduziert.
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Bei Merkmalen dieser Ausführungsform kann
die Nut relativ flach sein und die gleiche oder eine größere Tiefe
als die oben diskutierten Ausnehmungen haben. Druckableitungen kommunizieren mit
der Seite der Spiralwindung mit niedrigem Druck, um ein Fluid zu
der Nut zu leiten. Ebenso kann die Nut in mehrere Nuten separiert
werden, wobei jede mit einer Druckableitung kommuniziert.
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Bei bevorzugten Merkmalen dieser
Ausführungsform
werden die Ableitungen in Form einer Ausnehmung, die sich auf der
Spiralwindungsspitze befindet, hergestellt. Um Druck in der Nut
weiter zu reduzieren, kann die Ausnehmung unter einem Winkel eingearbeitet
sein und mit der Nut an der Stelle verbunden sein, die sich am nächsten zu
dem niedrigen Druck befindet.
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden
Erfindung kann man am besten mit der folgende Spezifikation und
Zeichnungen verstehen, von denen das Folgende eine Kurzbeschreibung
ist.
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1 ist
eine Ansicht eines Spiralverdichters des Standes der Technik.
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2 zeigt
Grenzen des Spiralverdichters des Standes der Technik auf.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Schnitt entlang Linie 4–4
von 3.
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5 zeigt
grafisch die Verbesserung auf Grund der ersten Ausführungsform.
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6 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 6–6 von 5.
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8 zeigt
eine dritte Ausführungsform.
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9 zeigt
grafisch die Verbesserung auf Grund der zweiten und dritten Ausführungsform.
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3 zeigt
eine Spiralwindung 41. Obwohl die Spiralwindung 41 entweder
die umlaufende Spiralwindung oder die feste Spiralwindung repräsentieren
kann, wird in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform mindestens bei der
festen Spiralwindung die erfindungsgemäße Struktur vorgesehen, da diese
oft dicker ist als die umlaufende Spirale. Flache Ausnehmungen 42 sind
in der Spitze der festen Spiralwindung 41 gebildet. Die
flachen Ausnehmungen 42 erstrecken sich zu einer inneren
Wand 44, die zu der Seite 45 der Spiralwindung 41 mit
hohem Druck benachbart ist. Die Ausnehmungen 42 erstrecken sich
zu der Seite 46 der Spiralwindung 41 mit niedrigem Druck.
Folglich bewegt sich Fluid mit einem niedrigem Druck von der Seite
46 in die Ausnehmungen 42 hinein und auf eine Wand 44 zu.
Die Trennwände 48 sind
zwischen den Ausnehmungen 42 gebildet. Die Trennwände 48 definieren
diskrete. Ausnehmungen, welche ein Lecken entlang der Spiralwindung 41 in
einer Richtung entlang des Umfangs reduzieren.
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Wie in 4 gezeigt
ist, erstreckt sich die Ausnehmung 42 von der Kante 46 zu
der Wand 44 und an eine Stelle, die von einer Seite 45
beabstandet ist. Die Trennwände 48 erstrecken
sich zwischen den benachbarten Ausnehmungen 42. Die Ausnehmungen 42 erstrecken
sich im Gesamten entlang der Umfangslänge der Windung. Für eine vereinfachte Herstellung
kann dasselbe Ziel mit einer einzigen Ausnehmung erreicht werden,
jedoch kann ein zusätzliches
Lecken entlang der Spiralwindung auftreten.
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Die Ausnehmungen 42 sind
flach, und die Tiefe, wie sie in 4 gezeigt
ist, ist für
Darstellungszwecke deutlich übertrieben.
Die Ausnehmung hat vorzugsweise eine Tiefe von weniger als 200 μm für eine Spiralwindung,
die typischerweise eine axiale Höhe
von mindestens 0,5 Inch bis zu mehreren Zoll aufweist. Stärker bevorzugt
hat die Ausnehmung eine Tiefe von 20 μm oder weniger. Die Ausnehmung muss
nicht gleichmäßig sein
und kann auf die Seite mit hohem Druck verjüngt sein.
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Wenn der Spiralverdichter mit einer
Spiralwindung 41 entweder für die feste oder für die umlaufende
Spirale betrieben wird, wird die Gesamtseparierkraft reduziert,
was jetzt im Folgenden erklärt wird.
Die Vorteile der ersten Ausführungsform,
wie sie in 3 und 4 gezeigt ist, können in 5 erkannt werden. 5 ist ähnlich zu 2, in dem sie grafisch eine Komponente
der Separierkraft über
einen Bereich der Windung zeigt. Der hohe Druck erstreckt sich bis
zu dem äußeren Ende 45.
Ein niedriger Druck 43 erstreckt sich nach innen über die
Spiralwindung 41 bis zu der Wand 44. Zwischen
der Wand 44 und dem äußeren Ende 45 tritt
der Gradient 47 von hohem Druck zu niedrigem Druck auf.
Die Separierkraft wird durch Minimieren der Fläche, über die ein hoher Druck aufgebracht
wird, reduziert. Eine Linie 49 zeigt, wo der Gradient mit
der Struktur nach dem Stand der Technik aufgetreten wäre. Die
Fläche, die
von dem schraffierten Anteil unter dem Gradienten 47 und
einer Linie 43 bedeckt wird, wie sie bei dieser Erfindung
auftritt, ist pzuportional zu der Separierkraftkomponente, die jetzt
mit der erfinderischen Spiralwindung auftritt. Die Fläche, die
durch den Anteil zwischen dem Gradienten 47, der Linie 43 und dem
Gradienten 49 umfasst wird, ist pzuportional zu der Reduzierung
einer Separierkraft, die durch diese Ausführungsform der Erfindung erreicht
wird.
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Eine zweite Ausführungsform mit einer Spiralwindung 53 ist
in 6 gezeigt. Eine Spiralwindung 53 ist
mit einer Nut 50, die aus einer Anzahl von Nutenkomponenten
gebildet ist, an einer Stelle, die in Richtung auf die Abgabedruckseite 51 der
Windung 53 beabstandet ist, versehen. Die Nut 50 erstreckt sich
entlang der Länge
der Windung 53. Wie gezeigt ist, weist die Nut 50 eine
Wand 52 auf, die in Richtung auf die Seite 51 mit hohem
Druck beabstandet ist. Ein Durchlass 58 erstreckt sich
von der Nut 50 auswärts zu
der Seite 54 der Windung 53 mit niedrigem Druck. Die Nut 50 erstreckt
sich zwischen einer Wand 52 und einer äußeren Wand 55. Ein
weiterer Durchlass 56 erstreckt sich in die Windung 53 und
kommuniziert mit dem Durchlass 58. Das Fluid mit niedrigem
Druck wird in die Nut 50 über Durchlässe 58 und 56 abgelassen.
Trennwände 59 sind
in der Nut 50 gebildet, wieder um ein Lecken zu minimieren.
Das Ergebnis ist eine Mehrzahl von diskreten Nutenkomponentenbereichen,
die je individuelle Durchlässe 56 und 58 aufweisen.
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Wie in 7 gezeigt
ist, erstreckt sich der Durchlass 58 auswärts zu einer
Seite 54 der Spiralwindung 49. Die Nut ist, wie gezeigt,
vorzugsweise winklig in Richtung auf die Zonen niedrigen Drucks ausgebildet.
Wie ebenfalls gezeigt ist, ist die Nut 50 in Richtung auf
die Abgabedruckseite 51 der Spiralwindung 53 abgesetzt
angeordnet.
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Wieder wird durch Verwendung dieser
Struktur die Gesamtseparierkraft über eine Spiralwindung 49 reduziert.
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8 zeigt
einen kleinen Bereich einer Windung 69 bei einer dritten
Ausführungsform
70 mit Nutbereichen 72, die zu jenen, die in der Ausführungsform
gemäß 6 gezeigt sind, ähnlich sind. Durchlässe 74 sind
in der Oberfläche
der Windungsspitze gebildet und erstrecken sich an die äußeren Kante 75.
Diese Durchlässe 74 können winklig
sein, wie es die Durchlässe
in der Ausführungsform
gemäß 6 waren.
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Die Vorteile der zweiten Ausführungsform, die
in 6 und 7 gezeigt
ist, und der Ausführungsform
gemäß 8 sind grafisch in 9 dargestellt. Wie in 8 gezeigt ist, tritt der
Abgabedruckgradient 64 zwischen der Wand 51 und
der Wand 52 der Nut 50 auf. Über die Nut 50 und
in Richtung der Zwischendruckseite 54 der Windung 49 ist
jeder Druck ein niedriger Druck, was durch Linie 66 gezeigt
wird. Der Stand der Technik hätte
einen Gradienten 68 von einem hohen Druck zu einem niedrigen
Druck erzielt. Die Fläche
zwischen dem Gradienten 64, der Linie 66 und dem
Gradienten 68 ist pzuportional zu einer Reduzierung einer
Separierkraft durch diese Ausführungsform
der Erfindung.
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Die Erfindung, wie sie in 3 bis 6 gezeigt ist,
ist insbesondere für
dicke Spiralwindungen nützlich.
Diese sind die Typen von Spiralwindungen, wie sie in den Ausführungsformen
gemäß den 3 bis 6 dargestellt
sind. Aus verschiedenen Gründen
wurden Spiralwindungen mit variierenden Breite, die relativ dicke
Abschnitte aufweisen, in letzter Zeit in vielen Anwendungen verwendet.
Bei diesen Typen von Spiralwindungen wird die Separierkraft über die
Spiralwindungsspitzen ein größerer Teil
der Gesamtseparierkraft. Es sind besonders diese Anwendungen, bei
denen diese Erfindung besonders nützlich ist.