Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsmechanismus für eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere für einen Scrollverdichter, sowie eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit einem solchen Ausgleichsmechanismus.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise die auf die Anmelderin zurückgehende DE 10 2020 121 442 Al, sind Scrollverdichter bekannt, die einen Ausgleichsmechanismus umfassen. Der Ausgleichsmechanismus dient dazu, Fertigungstoleranzen auszugleichen und so sicherzustellen, dass zwei ineinander verschachtelte Verdrängerspiralen gut abdichtend aneinander anliegen. Zudem werden vorhandene Schwingungen, Vibrationen und Geräusche reduziert.

Weitere Scrollverdichter mit solchen Ausgleichsmechanismen sind beispielsweise aus US 4,824,346 A und DE 10 2019 108 079 Al bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ausgleichsmechanismus für eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter, weiterzuentwickeln, um eine verbesserte Reduzierung von Vibrationen bei einer geringen Bauteilkomplexität zu erreichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, mit einem solchen Ausgleichsmechanismus anzugeben.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe im Hinblick auf den Ausgleichsmechanismus durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf die Verdrängermaschine durch den Gegenstand des Patentanspruchs 15 gelöst.

Die Erfindung beruht insoweit auf dem Gedanken, einen Ausgleichsmechanismus für eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter, anzugeben, wobei der Ausgleichsmechanismus eine Antriebswelle mit einer Mittelachse S und eine Ausgleichseinrichtung aufweist. Die Ausgleichseinrichtung weist ein zylindrisches Nabenelement auf, das um eine Drehachse P drehbar und auf einen ersten Exzenterzapfen der Antriebswelle gelagert ist. Ferner weist die Ausgleichseinrichtung ein Ausgleichselement auf, das um eine Drehachse J drehbar auf dem Nabenelement gelagert ist und ein exzentrisch angeordnetes Langloch aufweist, das sich bezogen auf die Drehachse J in radialer Richtung erstreckt. Ein zweiter Exzenterzapfen der Antriebswelle ist so in dem Langloch des Ausgleichselements geführt, dass zwischen dem Langloch und der Drehachse J des Ausgleichselements eine Kurbelschleife gebildet ist.

Die Erfindung nutzt vorzugsweise ein einziges Ausgleichselement, um eine Reduktion von Vibrationen zu erreichen und somit zu einer hohen Laufruhe einer Verdrängermaschine beizutragen. Dabei sorgt das Langloch des Ausgleichselements dafür, dass eine Bewegung des Ausgleichselement in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse S der Antriebswelle begrenzt ist. Das Langloch gibt zusammen mit dem zweiten Exzenterzapfen somit eine Bewegungsrichtung für das Ausgleichselement vor, die im Wesentlichen eine Kurbelschleife bildet. Im Wesentlichen erfolgt also eine kombinierte Schwing - und Linearbewegung. Es hat sich herausgestellt, dass diese Bewegung in Form einer Kurbelschleife besonders gut Fertigungstoleranzen ausgleicht und somit eine Abdichtung zwischen zwei Verdrängerspiralen mit hoher Effektivität gewährleistet. Dabei reduziert der erfindungsgemäße Ausgleichsmechanismus gleichzeitig Vibrationen innerhalb einer Verdrängermaschine.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Schwerpunkt des Ausgleichselements im Betrieb einen Pendelanteil auf, wobei der Schwerpunkt um eine Verbindungsgerade JQ zwischen der Drehachse J des Ausgleichselement und einer Mittelachse Q des Langlochs pendelt. Der Schwerpunkt des Ausgleichselements kann insbesondere bezogen auf die Mittelachse S der Antriebswelle radial außerhalb der Mittelachse Q des Langlochs angeordnet sein. Bei dieser Lage sorgt die Kurbelschleife des Ausgleichselements dafür, dass der Schwerpunkt des Ausgleichselements einen Pendelanteil aufweist und diesen für einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen in Umfangsrichtung der Antriebswelle effizient nutzt. Der Schwerpunkt des Ausgleichselements kann zusätzlich im Betrieb einen linearen Anteil aufweisen, wobei sich der Schwerpunkt entlang der Verbindungsgeraden JQ bewegt und wobei der lineare Anteil größer als der Pendelanteil ist. Der lineare Anteil wird hauptsächlich von dem Langloch vorgegeben, dass insoweit eine Dreh- bzw. Pendelbewegung des Ausgleichselements einschränkt. Der lineare Anteil der Bewegung des Schwerpunkts des Ausgleichselements, der vorzugsweise in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse der Antriebswelle ausgerichtet ist, ist besonders für die Dämpfung von Vibrationen und die Abdichtung zwischen Verdrängerspiralen vorteilhaft.

Das Ausgleichselement weist die Drehachse J auf und das Nabenelement umfasst eine Mittelachse C. In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist die Drehachse J des Ausgleichselements konzentrisch zu einer Mittelachse C des Nabenelements angeordnet. Mit anderen Worten können die Drehachse J des Ausgleichselements und die Mittelachse C des Nabenelements deckungsgleich sein. Diese Gestaltung reduziert die Komplexität des Ausgleichsmechanismus und begrenzt die Bewegungsfreiheitsgrade des Ausgleichsmechanismus auf ein für die Reduktion von Vibrationen zweckmäßiges Maß.

Das Nabenelement kann ferner eine exzentrische Nabenbohrung aufweisen, in der der erste Exzenterzapfen der Antriebswelle angeordnet ist. Insgesamt weist der Ausgleichsmechanismus in vorteilhafter Weise eine Mehrfach -Exzentrizität auf, um durch den dadurch bedingten Bewegungsablauf eine gute Abdichtung zwischen den Verdrängerspiralen und eine Geräuschreduzierung im Betrieb einer Verdrängermaschine zu erreichen.

Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgleichselement eine Aufnahmebohrung aufweist, über die das Ausgleichselement drehbar auf dem Nabenelement gelagert ist. Auf diese Weise wird der für die Vibrationsreduzierung vorteilhafte Bewegungsablauf von der Antriebswelle bis in die bewegliche Verdrängerspirale übertragen, wobei die Aufnahmebohrung eines von mehreren Drehgelenken für den Bewegungsablauf bildet. Das Ausgleichselement selbst kann einen Führungsabschnitt und eine Ausgleichsmasse aufweisen. Die Ausgleichsmasse erstreckt sich vorzugsweise bogenförmig um den Führungsabschnitt. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Gestaltung des Ausgleichselements zu einem besonders guten Massenausgleich in jedem Betriebszustand des Ausgleichsmechanismus führt. Die Vibrationsreduzierung wird so besonders gut erreicht.

Die Aufnahmebohrung und das Langloch sind vorzugsweise in dem Führungsabschnitt angeordnet. Der Führungsabschnitt bewirkt insofern eine Verbindung zwischen der Drehachse des Ausgleichselements und der Ausgleichsmasse, die möglichst weit radial außerhalb der Drehachse des Ausgleichselements angeordnet ist, um aufgrund der Hebelwirkung möglichst klein ausgeführt zu werden. Gleichzeitig ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Drehachse des Ausgleichselements und der Ausgleichsmasse so kurz gehalten wird, dass der Ausgleichsmechanismus kompakt in eine Verdrängermaschine integrierbar ist.

Zur Kompaktheit des Ausgleichsmechanismus trägt auch eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bei, bei welcher sich die Ausgleichsmasse halbringförmig um die Drehachse J des Ausgleichselements erstreckt.

Besonders bevorzugt ist es, insbesondere aus Stabilitätsgründen, wenn der Führungsabschnitt und die Ausgleichsmasse einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind. Insgesamt kann das Ausgleichselement als einstückiges Bauteil bzw. monolithisches Bauteil ausgebildet sein.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass der erste Exzenterzapfen der Antriebswelle einen größeren Durchmesser als der zweite Exzenterzapfen der Antriebswelle hat. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der erste Exzenterzapfen der Antriebswelle eine größere Länge als der zweite Exzenterzapfen der Antriebswelle hat. Ferner kann das Nabenelement entlang seiner Mittelachse C über das Ausgleichselement, insbesondere die Ausgleichsmasse, vorstehen. Der erste und der zweite Exzenterzapfen der Antriebswelle übertragen unterschiedliche Kräfte und sind daher vorzugsweise unterschiedlich dimensioniert. Dies dient der Gewichtsoptimierung. Das Nabenelement hingegen erstreckt sich vorzugsweise bis in eine orbitierende Verdrängerspirale und überragt daher das Ausgleichselement, um eine Drehbewegung auf die erste Verdrängerspirale übertragen zu können.

Um einen möglichst ruhigen Lauf des Nabenelements um den ersten Exzenterzapfen zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, dass das Nabenelement über ein Gleit- oder Nadellager drehbar auf dem ersten Exzenterzapfen der Antriebswelle gelagert ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgleichselement über ein Gleit- oder Nadellager drehbar auf dem Nabenelement gelagert sein. Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, mit einem zuvor beschriebenen Ausgleichsmechanismus. Bei der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine kann vorgesehen sein, dass das Nabenelement ein Scrolllager trägt, das mit einer beweglichen, insbesondere im Betrieb orbitierenden, Verdrängerspirale verbunden ist, wobei die bewegliche Verdrängerspirale in eine stationäre Verdrängerspirale eingreift.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit einem Ausgleichsmechanismus nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei das Nabenelement über ein Gleitlager mit einer beweglichen Verdrängerspirale in Kontakt steht;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip mit einem Ausgleichsmechanismus nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Nabenelement über ein Kugellager mit der beweglichen Verdrängerspirale in Verbindung steht;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausgleichsmechanismus nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Ausgleichsmechanismus gemäß Fig. 3 im montierten Zustand; und

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Ausgleichsmechanismus gemäß Fig. 3

In den Fig. 1 und 2 sind jeweils Verdrängermaschinen nach dem Spiralprinzip gezeigt, die weitgehend identisch aufgebaut sind. Die Ausführungsbeispiel e gemäß Fig. 1 und 2 unterscheiden sich lediglich in der Art eines Scrolllagers 32, das zwischen einem Nabenelement 30 und einer beweglichen Verdrängerspirale 4 angeordnet ist. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Gleitlager 32a als Scrolllager 32 vorgesehen ist, umfasst das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein Kugellager 32b als Scrolllager 32.

Im Allgemeinen umfasst die Verdrängermaschine gemäß Fig. 1 und 2 jeweils ein Verdichtergehäuse 1, an welches ein Elektronikgehäuse 2 angeschlossen ist. Innerhalb des Verdichtergehäuses 1 ist ein Elektromotor 3 positioniert, der eine Antriebswelle 10 antreibt. Die Antriebswelle 10 wirkt über einen Exzenter- Mechanismus auf eine bewegliche Verdrängerspirale 4, die im Betrieb eine orbitierende Bewegung ausführt. Die bewegliche Verdrängerspirale 4 greift dabei in eine stationäre Verdrängerspirale 5 ein, wobei durch den Eingriff und die orbitierende Bewegung variable Verdichtungskammern zwischen den Spiralwänden der Verdrängerspiralen 4, 5 entstehen.

Der Exzenter-Mechanismus zwischen der Antriebswelle 10 und der beweglichen Verdrängerspirale 4 ist als Teil eines Ausgleichsmechanismus ausgeführt, der im Folgenden näher anhand der Fig. 3 bis 5 beschrieben wird.

Der Ausgleichsmechanismus umfasst die Antriebswel le 10 und eine Ausgleichseinrichtung 20. Die Ausgleichseinrichtung 20 verbindet die Antriebswelle 10 im Wesentlichen mit der beweglichen Verdrängerspirale 4. Die Ausgleichseinrichtung 20 ist mehrteilig ausgebildet und umfasst insbesondere ein Nabenelement 30 und ein Ausgleichselement 40. Das Nabenelement 30 ist drehbar auf einem ersten Exzenterzapfen 11 der Antriebswelle 10 angeordnet. Dazu weist das Nabenelement 30 eine Nabenbohrung 31 auf, in welche der erste Exzenterzapfen 11 eingreift. Zwischen dem ersten Exzenterzapfen 11 und der Nabenbohrung 31 kann ein Gleitlager oder ein Nadellager ausgebildet sein. Das Nabenelement 30 umfasst ein Aufnahmesegment 34 und ein Scrollsegment 35. Das Aufnahmesegment 34 ist der Antriebswelle 10 zugewandt, wogegen das Scrollsegment 35 der beweglichen Verdrängerspirale 4 zugewandt ist und vorzugsweise das Scrolllager 32 trägt. Das Scrollsegment 35 und das Aufnahmesegment 34 weisen jeweils eine zylinderförmige Außenkontur auf, wobei das Aufnahmesegment 34 einen kleineren Querschnittsdurchmesser als das Scrollsegment 35 umfasst.

Das Aufnahmesegment 34 nimmt das Ausgleichselement 40 auf. Konkret weist das Ausgleichselement 40 eine Aufnahmebohrung 41 auf, durch welches sich das Scrollsegment 35 erstreckt. Das Scrollsegment 35 erstreckt sich in Richtung der Antriebswelle 10 über die Aufnahmebohrung 41 hinaus und trägt im überstehenden Abschnitt eine Ringnut zur Aufnahme eines Sicherungsrings 33. Auf diese Weise ist das Ausgleichselement 40 längsaxial auf dem Nabenelement 30 gesichert.

Im Allgemeinen ist das Ausgleichselement 40 auf dem Nabenelement 30 drehbar gelagert. Das Aufnahmesegment 34 kann insoweit ein Gleitlager für die Aufnahmebohrung 41 des Ausgleichselements 40 bilden. Indem das Ausgleichselement 40 drehbar auf dem Nabenelement 30 angeordnet ist, wird bei der Ausgleichseinrichtung 20 erreicht, dass die exzentrische Verbindung zwischen dem ersten Exzenterzapfen 11 und der beweglichen Verdrängerspirale 4 von der Ausgleichsmasse 44 entkoppelt ist. Das führt zu einer besonders guten Abdichtung zwischen den Verdrängerspiralen 4, 5. Die variablen Verdichtungskammern sind somit gut abgedichtet. Gleichzeitig wird durch die Entkopplung der Ausgleichsmasse 44 eine hohen Laufruhe erzielt.

Das Ausgleichselement 40 umfasst einen Führungsabschnitt 43, der die Aufnahmebohrung 41 trägt. Ferner ist eine Ausgleichsmasse 44 vorgesehen, die sich im Wesentlichen halbringförmig bzw. bogenförmig um den Führungsabschnitt 43 erstreckt. Insbesondere kann sich die Ausgleichsmasse 44 bogenförmig um die Aufnahmebohrung 41 erstrecken. Die Ausgleichsmasse 44 weist vorzugsweise eine größere Tiefe als der Führungsabschnitt 43 auf.

Im Führungsabschnitt 43 ist ferner ein Langloch 42 angeordnet, das sich durch den Führungsabschnitt 43 hindurch erstreckt und dessen längere Querachse im Wesentlichen radial zur Drehachse J des Ausgleichselements ausgerichtet ist. Das Langloch 42 nimmt einen zweiten Exzenterzapfen 12 der Antriebswelle 10, wobei eine Breite des Langlochs 42 entlang der kürzeren Querachse des Langlochs 42 im Wesentlichen dem Durchmesser des zweiten Exzenterzapfens 12 entspricht. Die Länge des Langloches 42, die entlang der längeren Querachse des Langlochs 42 gemessen wird, ist entsprechend größer als der Durchmesser des zweiten Exzenterzapfens 12.

Wie im montierten Zustand der Ausgleichseinrichtung 20 gemäß Fig. 4 gezeigt ist, greift der erste Exzenterzapfen 11 in die Nabenbohrung 31 und der zweite Exzenterzapfen 12 in das Langloch 42 ein. Der erste Exzenterzapfen 11 erstreckt sich dabei zwar über das Ausgleichselement 40 hinaus, endet jedoch innerhalb der Nabenbohrung 31. Der zweite Exzenterzapfen 12 endet innerhalb des Langlochs 42, erstreckt sich also nicht über das Langloch 42 hinaus.

Fig. 5 zeigt in einer Vorderansicht der Ausgleichseinrichtung 20 die Lage der unterschiedlichen Achsen, die für die Bewegung des Ausgleichsmechanismus entscheidend sind. Die Antriebswelle 10 weist eine Mittelachse S auf, die im Wesentlichen die Drehachse der Antriebswelle 10 bildet.

Das Nabenelement 30 weist eine Mittelachse C auf, die sich mittig durch das Nabenelement 30 erstreckt. Die Nabenbohrung 31 des Nabenelements 30 ist exzentrisch im Nabenelement 30 ausgebildet. Eine Mittelachse der Nabenbohrung 31 bildet die Drehachse P des Nabenelements 30. Das Nabenelement 30 dreht folglich um die Drehachse P, die durch die Mittelachse der Nabenbohrung 31 bzw. die Mittelachse des ersten Exzenterzapfens 11 definiert ist.

Das Ausgleichselement 40 dreht um eine Drehachse J, die durch die Mittelachse der Aufnahmebohrung 41 definiert ist. Die Drehachse J des Ausgleichselements 40 fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Mittelachse C des Nabenelements 30 zusammen. Es ist allerdings auch möglich, dass die Aufnahmebohrung 41 exzentrisch zur Mittelachse C des Nabenelements ausgerichtet ist, so dass die Drehachse J des Ausgleichselements 40 außerhalb der Mittelachse C des Nabenelements 30 angeordnet ist. Beispielsweise kann das Aufnahmesegment 34 des Nabenelements 30 exzentrisch ausgebildet sein. Das Langloch 42 weist eine Mittelachse Q auf, die sich in Bohrungsrichtung des Langlochs 42 erstreckt, also parallel zur Mittelachse S der Antriebswelle 10 verläuft. Die Lage der Mittelachse Q des Langlochs 42 wird durch den Schnittpunkt der beiden Querachsen des Langlochs 42 definiert.

Das Ausgleichselement 40 weist ferner einen Schwerpunkt 45 auf, der sich im Führungsabschnitt 43 befindet. Der Schwerpunkt 45 liegt vorzugsweise radial außerhalb des Langlochs 42 bzw. der Mittelachse Q des Langlochs 42, wobei „radial außerhalb" bezogen auf die Drehachse J des Ausgleichselements 40 zu verstehen ist.

Zwischen der Drehachse P des Nabenelements 30, der Drehachse J des Ausgleichselements 40 und der Mittelachse Q des Langlochs 42 bildet sich im Betrieb eine Kurbelschleife, die dafür sorgt, dass der Schwerpunkt 45 im Betrieb der Ausgleichseinrichtung 20 eine Bewegung vollzieht, die einerseits einen linearen Anteil aufweist, der sich in radialer Richtung entlang der Verbindungsgeraden JQ zwischen der Drehachse des Ausgleichselements 40 und der Mittelachse Q des Langlochs 42 erstreckt und einen Pendelanteil, der im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Drehachse J des Ausgleichselements 40 ausgerichtet ist. Der lineare Anteil der Bewegung des Schwerpunkts 45 ist größer als der Umfangsanteil bzw. Pendelanteil. Diese Art der Bewegung, insbesondere der lineare Anteil, bewirkt eine signifikante Reduktion von Schwingungen innerhalb einer Verdrängermaschine und eine Reduzierung von Geräuschen.