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Patent Searching and Data


Title:
SPINDLE COMPRESSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/086680
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to dry-compressing 2-shaft rotational displacement machines for conveying and compressing gases for use in a vacuum and overpressure. According to the invention, in order to improve effectiveness and reliability in spindle compressors with a greater axial spacing on the conveyed gas inlet side (10) than on the conveyed gas outlet side (11), each spindle rotor (2) is provided with a preferably double-start coolant screw thread (7) in addition to the known gas-conveying outer thread (4), said double-start coolant screw thread having a pitch angle that is at least double the size of the pitch angle of the gas-conveying outer thread of this spindle rotor, wherein the pitch of the coolant screw thread (7) is oriented opposite the thread pitch of the gas-conveying outer thread, and the surfaces (30) of the coolant screw thread heads (19) are firmly seated against the support shaft (3) such that all together they brace the rotor torque and the bending moments applied by the conveyed gas to the support shaft (3), and that an overflow-compensation groove inner thread (8) is worked into the coolant screw thread heads (19), which is configured as an at least double-start screw thread having a thread pitch oriented opposite to the coolant screw thread pitch of this spindle rotor and the overflow thread groove depth tü...i is configured as a (preferably) V-shaped groove for the prevention of imbalance caused by uneven coolant filling of each coolant screw thread groove (18).

Inventors:
STEFFENS, Ralf (Abt-Fulrad-Str. 4, Esslingen, 73728, DE)
Application Number:
EP2016/077063
Publication Date:
May 17, 2018
Filing Date:
November 09, 2016
Export Citation:
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Assignee:
STEFFENS, Ralf (Abt-Fulrad-Str. 4, Esslingen, 73728, DE)
International Classes:
F04C18/56; F04C18/08; F04C18/16; F04C27/00; F04C29/02; F04C29/04
Domestic Patent References:
WO2000012899A12000-03-09
Foreign References:
DE102013009040A12014-12-04
DE102010064388A12011-08-18
DE102005012040A12006-09-21
EP2014060851W2014-05-26
DE59906892A1999-06-29
Attorney, Agent or Firm:
BAUER - VORBERG - KAYSER PARTNERSCHAFT MBB (Goltsteinstr. 87, Köln, 50968, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Spindelkompressor als im Arbeitsraum ohne Betriebsfluid arbeitende 2-Wellen- Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien für Anwendungen im Vakuum und für Anwendungen im Überdruck mit zwei Spindelrotoren in einem Verdichtergehäuse (1), wobei jeder Spindelrotor (2) außen ein Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) aufweist, um das Fördergas vom Gas-Einlass (10) zum Gas-Auslass (11) zu transportieren, wobei der Achsabstand zwischen den beiden Spindelrotoren Einlass-seitig (10) mindestens 20% größer ist als Auslass-seitig (11),

dadurch gekennzeichnet, dass

jeder Spindelrotor (2) in einer zentralen Rotorinnenbohrung ein inneres Kühlgewinde (7) aufweist, welches im Bereich der Fördergas-Auslass-Seite (11) einen mindestens 20% kleineren Durchmesser hat als im Bereich der Fördergas-Einlass-Seite (10) und Kühlgewindenuten (18) aufweist, und dass diesem Kühlgewinde (7) im Betrieb ein Kühlfluid (9) über Bohrungen (5 sowie davon abgehend 6 und optional 22) zugeführt wird, wobei dieses Kühlfluid (9) die Kühlgewindenuten (18) dieses Kühlgewindes (7) von einem Start- Sammelnut-Verteilerraum (23) zu einem Kühlfluid-Austritt-Bereich (29) durchströmt.

2. Spindelkompressor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Kühlgewinde (7) mit einem höheren, insbesondere mindestens doppelten Umschlingungswinkel als der Umschlingungswinkel des Gas-Förderungs- "Außengewindes" (4) ausgebildet ist.

3. Spindelkompressor nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Kühlgewinde (7) Kühlgewindeköpfe (19) aufweist, dass in den Kühlgewindeköpfen (19) ein Überlauf-Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" (8) eingearbeitet ist, das mindestens 2-gängig ausgeführt ist Spindelkompressor nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

in jede Kühlgewindenut (18) ein (Rund-)Draht (21) eingelegt ist, der vorzugsweise am Kühlgewindenutgrund (15) anliegt.

Spindelkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Betrieb das Kühlfluid (9) über die zentrale Kühlfluid-Zuführ-Bohrung (5) und davon abgehend im Bereich der Fördergas-Auslass-Seite (11) über radiale Grund-Querbohrungen (6) per Fliehkraft zum Kühlgewinde (7) über den Sammelnut-Start-Verteilerraum (23) mit sanft ansteigender Verzahnprofil- Anlauframpe (24) des Kühlgewindes (7) geführt wird mit einer am Nutgrund des Sammelnut-Start-Verteilerraums (23) vorzugsweise stärkeren Radius- Änderung (23. a) als die Radius-Änderung für den RK .-Wert zum Kühlgewindenutgrund (15).

Spindelkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

zur applikationsspezifischen Verbesserung der Rotorwärmeabführung noch weiteres Kühlfluid (9) dem Kühlgewinde (7) längs der Spindelrotorachse über Zusatz-Querbohrungen (22) mit geringerem Bohrungs-Durchmesser dQZ als bei den Grund-Querbohrungen (6) zugeführt wird, wobei per Zwischen-Sammelnut- Verteilerraum (25) für den gleichmäßigen Eintritt des Kühlfluids (9) in das Kühlgewinde (7) gesorgt wird.

Spindelkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

dass es in Rotorlängsachsrichtung zumeist unterschiedliche Wandstärke-Werte wFi als Abstand zwischen Arbeitskammer-Nutgrund (12) und Kühlgewinde- Nutgrund (15) gibt, wobei abhängig vom gewählten Spindelrotormaterial sowie der applikationsspezifischen Belastung diese Wandstärke-Werte wFi möglichst gering ausgeführt werden (z.B. bei Stahl-Rotoren unterhalb der jeweiligen Rippen-Wandstärke wRi ), wobei möglichst geringe Abstandswerte wFi dadurch erreicht werden, dass ausgehend vom Spindelrotor-Rohling zunächst nur das Kühlgewinde (7) und das Überlaufgewinde (8) fertig hergestellt werden, aber noch nicht das Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4), und dieser somit nur innen fertige Spindelrotor dann auf die Trägerwelle (3) drehfest aufgebracht wird, was (vorzugsweise) mittels Fügen über Temperatur-Differenz erfolgt (d.h.: Der Spindelrotor ist für diese Montage deutlich wärmer als die Trägerwelle, was zu einer festen Pressverbindung führt), und dann erst wird das Gas-Förderungs- "Außengewinde" (4) gefertigt, wobei für den Fall, dass das Drehmoment für diese abschließende Spindelrotor-Fertigungs-Bearbeitung größer ist als das applikationsspezifische Kompressor-Drehmoment im Verdichterbetrieb, der Spindelrotor zur sicheren Übertragung des Fertigungs-Drehmomentes ggfls. mit einem Opfer-Anhang-Mitnehmer versehen wird, der abschließend wieder abgedreht wird.

Spindelkompressor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

die jeweiligen Nuttiefen tK , der Kühlgewindenuten (18) derart ausgeführt werden, dass bei den gewählten Geometriewerten (wie Durchmessergrößen, Umschlingungswinkel, Stegbreite etc.) über das Geschwindigkeitsprofil des Kühlfluids sowie der gewählten Kühlfluidmenge in dieser Kühlgewindenut (18) an der jeweiligen Position i in Rotorlängsachsrichtung und ohne besondere Maßnahmen (wie zusätzliche Kühfluid-Zuführung, andere Steigungswerte etc.) diese Nuttiefen tK , auf der Gas-Auslass-Seite (11) mit der Kühlfluid-Zuführung größer sind als auf der im Bereich der Kühlfluid-Abführung (29), und dass die Änderung der RKi- Radius-Werte zum Kühlgewinde-Nutgrund (15) an einer Position i in Rotorlängsachsrichtung beim Kühlfluid-Eintritt (vorzugsweise) größer ist als im späteren Kühlfluid-Durchlauf im Kühlgewinde (7).

Spindelkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Kühlfluid-Zuführ-Bereich (28) an jedem Spindelrotor (2) ein Auffang-Bauteil (33) vorgesehen ist, welches bei einem Rückstau von Kühlfluid wegen Überfüllung der Kühlgewindenuten (18) durch Zuführung einer zu hohen Kühlfluidmenge im Kühlfluid-Zuführ-Bereich (28) das überschüssige Kühlfluid auffängt und vorzugsweise zum Kühlfluid-Auffangraum (27) abführt.

Spindelkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Kühlfluid-Austritt-Bereich (29) das Kühlfluid (9) alternativ zur Staurohr- Lösung auf dem gesamten 0-Umfang mit sanftem Übergabe-Bereich (31) in einen vollständig offenen Ringspalt (32) eintritt, der von einem gestellfesten Außenteil (32. a) und einem gestellfesten Innenteil (32. b) mit engem Abstand (beispielsweise weniger als 3 mm) gebildet wird, wobei das Kühlfluid am Ende des Ringspaltes (32) dann dem Kühlfluid-Auffangraum (27) zugeführt wird.

11. Spindelkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, d ass jeder Spindelrotor (2) eine Trägerwelle (3) aufweist, dass das Kühlgewinde (7) Kühlgewindeköpfe (19) aufweist, die Kopfflächen (30) haben, und dass die Kopfflächen (30) der Kühlgewindeköpfe (19) an der Trägerwelle (3) aufliegen.

12. Spindelkompressor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gewindesteigung beim Kühlgewinde (7) entgegengesetzt orientiert ist zu der Gewindesteigung des das gasförmige Fördermedium fördernden Außengewindes (4).

Description:
Spindelkompressor

Sta nd der Tech n ik : Trockenverdichtende Kompressoren gewinnen in der industriellen Verdichtertechnik verstärkt an Bedeutung, denn durch zunehmende Verpflichtungen bei Umweltschutzvorschriften und steigende Betriebs- und Entsorgungskosten sowie erhöhte Ansprüche an die Reinheit des Fördermediums werden die bekannten nasslaufenden Verdichter, wie Flüssigkeitsringmaschinen, Drehschieberpumpen und Öl- oder Wasser-eingespritzte Schraubenkompressoren, immer häufiger durch trockenverdichtende Maschinen ersetzt.

Zu diesen Maschinen gehören trockene Schraubenverdichter, Klauenpumpen, Membranpumpen, Kolbenpumpen, Scroll-Maschinen sowie Wälzkolbenpumpen . Diesen Maschinen ist jedoch gemeinsam, dass sie die heutigen Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit sowie Baugröße und Gewicht bei gleichzeitig niedrigem Preisniveau und befriedigendem Wirkungsgrad immer noch nicht erreichen.

Zur Verbesserung dieser Situation bieten sich die bekannten trockenverdichtenden Spindelkompressoren an, weil sie als typische 2-Wellenverdrängermaschinen ein hohes Kompressionsvermögen einfach dadurch realisieren, dass sie die nötige Mehrstufigkeit als sogen. "Fördergewinde" durch Hintereinanderschaltung mehrerer abgeschlossener Arbeitskammern über die Anzahl der Umschlingungen je Verdrängerrotor äußerst unkompliziert erreichen, ohne jedoch ein Betriebsfluid im Arbeitsraum zu benötigen . Außerdem wird durch die berührungslose Abwälzung der beiden gegensinnig drehenden Spindelrotore eine erhöhte Rotordrehzahl ermöglicht, so dass bezogen auf die Baugröße gleichzeitig Nennsaugvermögen sowie Liefergrad ansteigen. Dabei können trockenverdichtende Spindelmaschinen sowohl für Anwendungen im Vakuum als auch für Überdruck eingesetzt werden, wobei der Leistungsbedarf im Überdruck naturgemäß signifikant höher ist, weil im Überdruck- Bereich mit Enddrücken deutlich über 2 bar (absolut) bis auf 15 bar und noch höher deutlich größere Druckdifferenzen zu überwinden sind .

In dem Schutzrecht PCT/ EP2014/060851 wird für einen trockenverdichtenden Spindelkompressor eine hohe innere Verdichtung realisiert bei gleichzeitiger Kühlung der Arbeitsraum-Bauteile, um einen Teil der während des Verdichtungsvorgangs entstehenden Kompressionswärme ständig abzuführen. Bei diesen Arbeitsraum- Bauteilen handelt es sich um das Spindelrotorpaar und das umgebende Verdichtergehäuse, wobei der Abstand zwischen den Spindelrotoren auf der Fördergas-Einlass-Seite größer ist als auf der Fördergas-Auslass-Seite. Insbesondere für anspruchsvollere Anwendungen im Überdruck mit höheren Druckverhältnissen werden diese Abstandsunterschiede zwischen den Spindelrotoren immer größer und die Rotorinnenkühlung gemäß Schutzrecht DE 599 06 892 wird neben der schwierigen Fertigung wegen der großen Durchmesser-Unterschiede immer schlechter beherrschbar. Eine möglichst effiziente Spindelrotorkühlung ist jedoch unabdingbare Voraussetzung für die gewünschte Verbesserung des Verdichter- Wirkungsgrades.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für trockenverdichtende 2- Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen nach dem Spindelkompressor-Prinzip mit Rotor-Achsabstand, der Einlass-seitig größer ist als Auslass-seitig, zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien die Rotorinnenkühlung derart zu verbessern, dass die Wärmeabführung aus jedem der beiden Spindelrotore während der Verdichtung signifikant verbessert wird, wobei überdies die Fertigungsbedingungen zu vereinfachen sind .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass jeder Spindelrotor (2) zusätzlich zum bekannten Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) nun ein (Wasser- ) Kühlfluid-Führungs-"Innengewinde" (7) erhält, welches vorzugsweise 2-gängig ausgeführt wird mit einem Umschlingungswinkel, der mindestens doppelt so groß ist wie der Umschlingungswinkel des Gas-Förderungs-"Außengewindes" des Spindelrotors, wobei die Gewindesteigung des Kühlgewindes (7) entgegengesetzt orientiert ist zur Gewindesteigung des Gas-Förderungs-"Außengewindes", und dass zudem ein Überlauf-Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" (8) in den Kühlgewindeköpfen (19) eingearbeitet ist, das mindestens 2-gängig ausgeführt ist mit einer Gewindesteigung entgegengesetzt orientiert zur Kühlgewindesteigung dieses Spindelrotors und dessen Überlaufgewindenut-Tiefe t ü , zur Unwucht-Vermeidung durch ungleiche Kühlfluid-Füllung je Kühlgewindenut (18) derart als (vorzugsweise) V-förmige Nut ausgeführt wird, dass das Kühlfluid (9) in der Kühlgewindenut (18), die von einer Überlaufgewindenut (26) wegen der entgegengesetzten Gewinde-Orientierung geschnitten wird, mindestens ab einer Nenn-Füllhöhe h K i über diese Überlaufgewindenut zur benachbarten Kühlgewindenut abfließt, so dass eine gleichmäßige Nenn-Befüllung aller Kühlgewindenuten (18) gewährleistet ist, wobei die Oberflächen der Kühlgewindenuten bei der Herstellung möglichst rau und grob sowie vorzugsweise auch als Wellenlinie (20) ausgeführt werden, um eine bessere Geschwindigkeitsmitnahme des Kühlfluids bei zugleich erhöhter Wärmetauschfläche zu erreichen, wobei optional noch ein (Rund-)Draht (21) in jede Kühlgewindenut (18) eingelegt werden kann, um durch Verdrängung die Kühlfluid-benetzte Oberfläche zu erhöhen, und dass im Betrieb das Kühlfluid (9) über die zentrale Kühlfluid-Zuführ- Bohrung (5) und davon abgehend im Bereich der Fördergas-Auslass-Seite (11) über radiale Grund-Querbohrungen (6) mit Fliehkraft-Unterstützung zum Kühlgewinde (7) über den Sammelnut-Start-Verteilerraum (23) mit sanft ansteigender Verzahnprofilrampe (24) des Kühlgewindes geführt wird, wobei applikationsspezifisch zur Verbesserung der Rotorwärmeabführung außerdem ergänzend noch radiale Zusatz-Querbohrungen (22) mit geringerem Bohrungs- Durchmesser Werte d Q Z als bei den Grund-Querbohrungen (6) weiteres Kühlfluid dem Kühlgewinde (7) längs der Spindelrotorachse zugeführt wird, wobei per Zwischen-Sammelnut-Verteilerraum (25) für den gleichmäßigen Kühlfluid-Eintritt in das Kühlgewinde gesorgt wird, und dass es zudem in Rotorlängsachsrichtung zumeist unterschiedliche Wandstärke-Werte w F i als Abstand zwischen Arbeitskammer- Nutgrund (12) und Kühlgewinde-Nutgrund (15) gibt, wobei abhängig vom gewählten Spindelrotormaterial sowie der applikationsspezifischen Belastung diese Wandstärke- Werte w F i möglichst gering ausgeführt werden (z. B. bei Stahl-Rotoren unterhalb der jeweiligen Rippen-Wandstärke w R i ), wobei diese möglichst geringen Abstandswerte w F i dadurch erreicht werden, dass ausgehend vom Spindelrotor-Rohling zunächst nur das Kühlgewinde (7) und das Überlaufgewinde (8) fertig hergestellt werden, aber noch nicht das Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4), und dieser folglich nur innen fertige Spindelrotor dann auf die Trägerwelle (3) drehfest aufgebracht wird, was (vorzugsweise) mittels Fügen über Temperatur- Differenz erfolgt (d .h. : Der Spindelrotor ist für diese Montage deutlich wärmer als die Trägerwelle, was zu einer festen Pressverbindung führt), und dann erst wird das Gas-Förderungs- "Außengewinde" (4) gefertigt, wobei für den Fall, dass das Drehmoment für diese abschließende Spindelrotor-Bearbeitung größer ist als das applikationsspezifische Kompressor-Drehmoment im Verdichterbetrieb, der Spindelrotor zur sicheren Mitnahme des Fertigungs-Drehmomentes ggfls. mit einem Opfer-Anhang-Mitnehmer versehen wird, der abschließend wieder abgedreht wird, wobei die Auflage zwischen Spindelrotor und Trägerwelle als Summe aller Stegbreiten s w , derart ausgeführt wird, dass im Verdichterbetrieb das Kompressor-Rotordrehmoment sowie die Biegemomente durch die Gaskräfte sicher über die Trägerwelle aufgenommen werden, wobei zu beachten ist, dass die jeweiligen Kühlgewinde-Nuttiefen t K , derart ausgeführt werden, dass diese bei den gewählten Geometriewerten (wie Durchmessergrößen, Umschlingungswinkel, Stegbreite etc.) über das Geschwindigkeitsprofil des Kühlfluids sowie der gewählten Kühlfluidmenge in dieser Kühlgewindenut (18) an der jeweiligen Position i in Rotorlängsachsrichtung und ohne besondere Maßnahmen (wie zusätzliche Kühfluid-Zuführung, andere Steigungswerte etc.) auf der Gas-Auslass-Seite (11) mit der Kühlfluid-Zuführung größer sind als auf der Einlass-Seite (10), und dass die Änderung der R K i - Radius-Werte zum Kühlgewinde-Nutgrund (15) an einer Position i in Rotorlängsachsrichtung beim Kühlfluid-Eintritt größer ist als im späteren Kühlfluid-Durchlauf im Kühlgewinde und im Gas-Einlass-Bereich (10) nahe Null, und dass im Kühlfluid-Zuführ-Bereich (28) an jedem Spindelrotor ein Auffang-Bauteil (33) bei Überfüllung vorgesehen ist, welches bei einem Rückstau von Kühlfluid wegen Überfüllung der Kühlgewindenuten (18) durch Zuführung einer zu hohen Kühlfluidmenge im Kühlfluid-Zuführ-Bereich (28) das überschüssige Kühlfluid auffängt und vorzugsweise zum Kühlfluid-Auffangraum (27) führt, und dass im Kühlfluid-Austritt-Bereich (29) das Kühlfluid alternativ zur Staurohr-Lösung beispielsweise auf dem gesamten 0-Umfang mit sanftem Übergabe- Bereich (31) in einen vollständig offenen Ringspalt (32) eintritt, der von einem gestellfesten Außenteil (32. a) und einem gestellfesten Innenteil (32. b) mit engem Abstand (weniger als 3 mm) gebildet wird, wobei das Kühlfluid am Ende des Ringspaltes (32) dann dem Kühlfluid-Auffangraum (27) zugeführt wird, wo es über eine Kühlfluid-Förderpumpe (nicht weiter dargestellt) einem Wärmetauscher und dann über die Kühlfluid-Zuführung (28) als geschlossener Kühlfluid-Kreislauf wieder zugeführt wird .

Definitionen und Begriffs-Erläuterungen : ) Gewinde :

In diesem Text ist unter Gewinde nicht das Gewinde einer klassischen Schraube-Mutter-Verbindung zu verstehen sondern das stetig fortschreitende Fördergewinde zum Transport von Fluiden, die sowohl gasförmig wie beim Gas-

Förderungs-"Außengewinde" (4) auf der Spindelrotor-Außenseite als auch flüssig wie beim (Wasser-) Kühlfluid-Führungs-"Innengewinde" (7) sein können, wobei das jeweilige Fluid über Seitenflanken des Fördergewindes in den Nuträumen (18) geführt wird . Bei ineinandergreifenden Gewinden wie dem Gas-Förderungs-"Außengewinde" entstehen durch die entsprechende Rotorpaarung verschiedene Arbeitskammern in den Nuträumen, wohingegen bei dem Kühlgewinde (7) ohne eingreifendes Gegenstück jeweils ein durchgehend fortschreitender Nutraum entsteht. 2) Umschlingungswinkel :

Die Summe aller Verdrehwinkel der betr. Profile im Stirnschnitt (also senkrecht zur Rotordrehachse), also in Rotorlängsachsrichtung fortschreitend werden die Verdrehwinkel für das jew. Stirnschnittprofil addiert und ergibt dann als Gesamtsumme den Umschlingungswinkel für dieses Profil-Gewinde. 3) 2-gängig, auch 2-zähnig :

Im Stirnschnitt hat ein derartiges Profil zwei Lücken (auch Vertiefungen) und zwei Köpfe (auch Zähne bzw. Erhöhungen).

Entsprechendes gilt für andere Zähnezahlen. Allgemeine Erläuterung zum Verständnis:

Die gewünschte Verbesserung des Kompressorwirkungsgrads hängt hauptsächlich davon ab, bei möglichst geringen Verlusten möglichst viel Wärme während der Verdichtung abzuführen. Dabei ist jeder Spindelrotor wegen seiner großen Oberflächen entscheidend, zumal das umgebende Verdichtergehäuse bekanntlich einfach zu kühlen ist dank der großen Oberflächen sowie der nahezu beliebig hoch einstellbaren Kühlfluidmengen. Bei den Spindelrotoren ist schrittweise vorzugehen :

(1) Zunächst einmal ist die Fördergas-seitige Rotor-Oberfläche zu maximieren, was über eine möglichst hohe Stufenzahl umgesetzt wird, die sich bekanntlich über den Umschlingungswinkel ergibt.

(2) Dann ist die Wärmeleitung im Spindelrotormaterial entscheidend . Hier ist ein Aluminium-Werkstoff wegen der guten Wärmeleitungs-Eigenschaften günstiger als ein Stahl-Rotor, wobei zusätzlich die von der abzuführenden Wärmemenge zu überwindenden Wändstärken zu minimieren sind .

(3) Als letzter Schritt ist dann der Wärmetransfer vom Spindelrotor an das Kühlfluid zu optimieren.

In der vorliegenden Erfindung werden die beiden letztgenannten Punkte auf neuartige Weise gelöst. Das Kühlfluid (9) bewegt sich im Betrieb wegen der Zentrifugalkräfte durch die Radien-Änderungen der Kühlgewindenuten (18) in Rotorlängsachsrichtung von der Fördergas-Auslass-Seite (11) mit den kleinsten Radius-Werten R K i der Kühlgewindenuten (18) in diesem Bereich in Richtung der ständig ansteigenden Radius-Werte R K , der Kühlgewindenuten (18) bis zur Kühlfluid-Abführung (29) zunächst einmal grundsätzlich (also ohne Zusatzmaßnahmen wie zusätzliche Zwischenzuführung gemäß (22) etc. ) mit ständig zunehmender (ansteigender) Geschwindigkeit. Um nun die Wärmeabführung aus jedem Spindelrotor (2) während der Verdichtung zu verbessern, sind sowohl die Wärmeübergangskoeffizienten als auch die vom Kühlfluid benetzten Oberflächen der Kühlgewindenuten (18) zu erhöhen . Für erzwungene Strömungen sind die Wärmeübergangskoeffizienten proportional zur Wurzel der jeweiligen Kühlfluid-Geschwindigkeit und die benetzten Oberflächen direkt proportional zur übertragbaren Leistung .

Mit diesem Ansatz ist das Kühlgewinde auszulegen, dessen Geschwindigkeitsprofil an jeder Stelle in Rotorlängsachsrichtung über die bekannten Gleichungen der Kinematik bestimmt werden können . Daraus ergibt sich dann bei gewählter Kühlfluidmenge auch die Größe des Kühlfluid-Strömungsquerschnitts, so dass bei gewählter Breite der Kühlgewindenut (18) deren Füllhöhe berechnet werden kann . Indem die Kühlfluid-Geschwindigkeit wegen der ständigen Änderung der Radius-Werte R K , der Kühlgewindenuten (18) schnell zunimmt und somit die Wärmeabführung im mittleren Bereich des Spindelrotors zu klein zu werden droht, wird erfindungsgemäß außerdem vorgeschlagen, dass weiteres Kühlfluid über Zusatz-Querbohrungen (22) zugeführt wird, so dass sich eine Vergrößerung der benetzten Oberflächen sowohl durch Reduzierung der Geschwindigkeitsprofile als auch durch die Erhöhung der Kühlfluidmenge ergibt. Die Verwirbelung bei Mischung der Kühlfluidmengen (also das in den Kühlgewindenuten bereits vorhandene und das hinzukommende Kühlfl uid ) verbessert den Wärmetransfer zusätzlich .

Das innere Kühlgewinde (7) ist ein Innengewinde des jeweiligen Spindelrotors. Darin befindet sich im Betrieb ein Kühlfluid, zum Beispiel Wasser. Das Kühlgewinde bildet eine Führung für das Kühlfluid aus. Die Kopfflächen (30) der Kühlgewindeköpfe (19) liegen vorzugsweise derart fest an der Trägerwelle (3) auf, dass die Gesamtheit dieser Kopfflächen (30) im Betrieb das Rotordrehmoment sowie die Biegemomente durch die Fördergaskräfte auf der Trägerwelle (3) abstützen . Das Kühlgewinde (7) ist vorzugsweise als 2 gängiges Gewinde ausgebildet. Die Oberflächen der Kühlgewindenuten (18) werden bei der Herstellung vorzugsweise möglichst rau und grob sowie vorzugsweise auch als Wellenlinie (20) ausgeführt (mit Beispielwerten zu ( 18) in der Bezugszeichenliste) . Das gasförmige Fördermedium kann auch als Gas bezeichnet werden . Das Überlauf-Ausgleichs- Nuten-"Innengewinde" (8) ist vorzugsweise mit einer Gewindesteigung entgegengesetzt orientiert zur Gewindesteigung des Kühlgewindes (7) ausgestattet. Das Überlauf-Ausgleichs- Nuten-"Innengewinde" (8) wird auch als Überlaufgewindenut bezeichnet. Vorzugsweise ist d ie Überlaufgewindenut-Tiefe t ü , zur Vermeidung von Unwucht durch ungleiche Kühlfluid- Füllung je Kühlgewindenut ( 18) derart als (vorzugsweise) V-förmige Nut ausgeführt, dass das Kühlfluid (9) in der Kühlgewindenut ( 18), die von einer Überlaufgewindenut (26) wegen der entgegengesetzten Orientierung der Gewindesteigung geschnitten wird, mindestens ab einer Nenn- Füllhöhe h K , über diese Überlaufgewindenut (26) zur benachbarten Kühlgewindenut ( 18) abfließt.

Das Kühlgewinde (7) hat im Bereich der Fördergas-Auslass-Seite ( 11 ) einen mindestens 20 % kleineren Durchmesser hat als im Bereich der Fördergas- Einlass- Seite ( 10), darunter ist zu verstehen, dass der Abstand des Kühlgewindes von der Rotordrehachse bzw. von der zentralen Kühlfluid-Zuführ-Bohrung 5 im Bereich der Fördergas-Auslass-Seite ( 11 ) mindestens 10 % kleiner ist als im Bereich der Fördergas-Einlass-Seite 10.

Erläuterungen zu den beispielhaften Darstellungen in Fig . 1 bis Fig . 4 :

Fig. 1 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung einen Längsschnitt durch den Spindelkompressor mit Verdichtergehäuse ( 1) und den beiden Spindelrotoren (2) sowie dem Fördergas- Einlass ( 10) und dem Fördergas-Auslass ( 11) in vorzugsweise senkrechter Aufstellung, um beim Abschalten des Spindelkompressors ein Auslaufen von restlichem Kühlfluid aus den Spindelrotoren zu vermeiden . Weil für einen maximalen Wärmetransfer möglichst große Wärmetransferflächen anzustreben sind , ist folglich auch eine größtmögliche Spindelrotorlänge vorteilhaft. Die Spindelrotorlänge wird von der biegekritischen Drehzahl bestimmt, die wiederum von der Steifigkeit der Welle wesentlich bestimmt wird, wobei die Masse möglichst klein zu halten ist. In der vorliegenden Darstellung hat die Trägerwelle (3) eine erhöhte Biegesteifigkeit, indem sie über die gesamte Rotorlänge bis an das Kühlgewinde (7), genauer die Kühlgewindeköpfe (30) gemäß Fig . 2 und Fig . 3, reicht. Zur Gewichtseinsparung sind beispielhaft stirnseitig noch Bohrungen (mehrfach auf dem Umfang verteilt) dargestellt, um somit die Rotorlänge über die biegekritischen Drehzahl zu maximieren . Zudem wird in der Fig . 1 noch deutlich, dass die Herstellung des Gas-Förderungs- "Außengewindes" (4) vorteilhafterweise erst nach thermischen Fügen des Spindelrotors (3) auf der Trägerwelle (3) erfolgt:

Denn in Rotorlängsachsrichtung sind zumeist unterschiedliche Wandstärke-Werte w F i als Abstand zwischen Arbeitskammer-Nutgrund (12) und Kühlgewinde-Nutgrund (15) vorteilhaft, wobei abhängig vom gewählten Spindelrotormaterial sowie der applikationsspezifischen Belastung diese Wandstärke-Werte w F i möglichst gering ausgeführt werden (z. B. bei Stahl-Rotoren unterhalb der jeweiligen Rippen- Wandstärke w R i ). Dabei werden diese möglichst geringen Abstandswerte w F i dadurch erreicht, dass ausgehend vom Spindelrotor-Rohling zunächst nur das Kühlgewinde (7) und das Überlaufgewinde (8) fertig hergestellt werden, aber noch nicht das Gas- Förderungs-"Außengewinde" (4), und dieser somit nur innen fertige Spindelrotor dann auf die Trägerwelle (3) drehfest aufgebracht wird, was (vorzugsweise) mittels Fügen über Temperatur- Differenz erfolgt, d .h . : Der Spindelrotor ist für diese Montage deutlich wärmer als die Trägerwelle, was zu einer festen Pressverbindung führt. Dann erst wird das Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) gefertigt, wobei für den Fall, dass das Drehmoment für diese abschließende Spindelrotor-Bearbeitung größer ist als das applikationsspezifische Kompressor-Drehmoment im Verdichterbetrieb, der Spindelrotor zur sicheren Mitnahme des Fertigungs-Drehmomentes einfach mit einem Opfer-Anhang-Mitnehmer als verlorene Verlängerung des Spindelrotors (2) versehen wird, der abschließend wieder abgedreht wird. Die Auflage zwischen Spindelrotor und Trägerwelle als Summe aller Stegbreiten s w , ist dann derart ausgeführt, dass im Verdichterbetrieb das Kompressor-Rotordrehmoment sowie die Biegemomente durch die Gaskräfte sicher über die Trägerwelle aufgenommen werden.

Wenn das Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) vor dem beschriebenen thermischen Fügen des Spindelrotors (2) auf seiner Trägerwelle (3) gefertigt worden wäre, würde die Gefahr bestehen, dass wegen der Pressverbindungskräfte zwischen Spindelrotor und Trägerwelle das Kühlgewinde (7) durchdrückt und das Gas-Förderungs- "Außengewinde" (4) nachteilig verformt wird, denn die Spindelrotore müssen als Rotorpaar mit möglichst engem Spielabstand zueinander drehen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, müssten die Wandstärke-Werte w F i erhöht werden, wodurch die Wärmeleitung durch das Spindelrotormaterial wegen der längeren Wege verschlechtert würden . Indem die Herstellung des Gas-Förderungs-"Außengewindes" erst nach dem thermischen Fügen erfolgt, wird dieser Nachteil vermieden. In Fig.2 ist der Spindelrotor (2) im Längsschnitt dargestellt, also quasi nur die aufgeschnittene Hälfte, um die Orientierung der jeweiligen Gewindesteigungen relativ zueinander anzuzeigen, wobei dies nur qualitativ und beispielhaft gezeigt ist:

A) Das Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) ist rechtssteigend ausgeführt (im nichtsichtbaren Bereich "hinter" der aufgeschnitten Spindelotorhälfte gestrichelt dargestellt) .

B) Das (Wasser-)Kühlfluid-Führungs-"Innengewinde" (7) ist linkssteigend und damit entgegengesetzt zum Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) ausgeführt, wobei die Kühlgewindenuten (18) mit Kühlfluid (9) gefüllt dargestellt sind .

C) Das Überlauf-Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" (8) ist wiederum rechtssteigend ausgeführt, wobei zwischen den Gewindegängen dieses Überlauf-Ausgleichs- Nuten-"Innengewindes" (8) die vielen Kopfflächen (30) der Kühlgewindeköpfe des Kühlgewindes (7) als Auflageflächen zwischen Spindelrotor (2) und Trägerwelle (3), die hier nicht dargestellt ist, zu sehen sind .

In Fig. 3 sind beispielhaft als Prinzipdarstellung die wichtigsten Geometrie- Daten zum Kühlgewinde (7) mit den Kühlfluid-Zuführungen, ausgehend von der zentralen Zuführ-Bohrung (5) über die radiale Grundbohrung (6) mit dem Start-Sammelnut- Verteilerraum (23) mit anfänglich stärkerer Radius-Änderung als beim nachfolgenden Kühlgewindenutgrund (15) und der Anlauf- Einführrampe (24) als sanften Anstieg des Kühlgewindes, um das zunehmend schneller werdende Kühlfluid sanft in das Kühlgewinde (7) einzuführen . Als weitere Kühlfluid-Zuführung ist eine radiale Kühlfluid-Zusatz-Querbohrung (22) mit eigenem Zwischen-Sammelnut-Verteilerraum (25) dargstellt, wobei dieses zusätzlich zugeführte Kühlfluid zu einer höheren Füllung der Kühlgewindenut (18) in diesem Bereich führt, vereinfacht dargestellt über eine geänderte Kühlfluid-Oberflächen-Linie (17). Bei dieser Zuführung von zusätzlichem Kühlfluid wird durch die Mischung auch der Dichte-Unterschied zwischen kälterem und wegen der Wärmeaufnahme bereits etwas erwärmtem Kühlfluid vorteilhaft genutzt, denn wegen hohen Zentrifugalkräfte wird die kälteren und damit schwereren Kühlfluid-Teilchen an den jeweiligen Kühlgewindenutgrund (15) geführt.

In den Kühlgewindeköpfen (19) mit den Auflageflächen (30) des Spindelrotors (2) auf der Trägerwelle (3) ist das mehrgängige Überlauf-Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" (8) dargestellt mit seiner vorzugsweise V-förmigen Profilnut (26), die um 90° gedreht eingeklappt gezeigt ist, was in Fig . 4 noch einmal als Detail-Darstellung vergrößert dargestellt ist.

Fig. 4 ist wie Fig . 3, wobei lediglich ergänzt um die erfindungsgemäße Option zur Erhöhung der Kühlfluid-benetzten Oberflächen durch Verdrängung per Einlege-Draht (21), wobei dieser vorzugsweise am Kühlgewindenutgrund (15) anliegt.

Zum besseren Verständnis ist das Überlauf-Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" (8) im Detail vergrößert dargestellt mit seiner vorzugsweise V-förmigen Profilnut (26), die um 90° gedreht eingeklappt gezeigt ist.

Bez u g sze i ch e n l i ste :

1. Verdichtergehäuse mit äußerer Kühlungs-Verrippung und Fördergas-Einlass- seitig (11) größerem Abstand der Spindelrotor-Aufnahmebohrungen als Auslass-seitig (12), wobei diese Bohrungs-Achsen kreuzend (bzw. "windschief") oder auch schneidend (also mit Lotabstand Null), aber nicht parallel ausgeführt sind . . Spindelrotor drehfest mit seiner eigenen Trägerwelle (3) verbunden

ausgeführt als 2-zähniger Spindelrotor mit 2-zähnigem Gas-Förderungs- "Außengewinde"

und als 3-zähniger Spindelrotor mit 3-zähnigem Gas-Förderungs- "Außengewinde" . Trägerwelle je Spindelrotor und mit dem jeweiligen Spindelrotor drehfest verbunden (vorzugsweise aufgepresst, wobei dies vorzugsweise mittels Temperatur-Differenz beim Fügen durchgeführt wird) . Gas-Förderungs-"Außengewinde", wobei beim ineinandergreifenden und gegensinnig rotierenden Spindelrotorpaar die Orientierung der Gewindesteigungen zueinander entgegengesetzt sind . zentrale Kühlfluid-Zuführ-Bohrung in der Trägerwelle (3) . radiale Kühlfluid-Grund-Querbohrungen, stets mindestens paarweise gegenüberliegend ausgeführt, und mit der zentralen Kühlfluid-Zuführ-Bohrung (5) verbunden . (Wasser-) Kühlfluid-Führungs-"Innengewinde" je Spindelrotor, kurz auch als "Kühlgewinde" benannt, zur gezielten Führung des Kühlfluids in den durchgehenden Kühlgewindenuten (18) bestehend aus Kühlgewinde-Nutgrund (15) sowie Kühlgewinde-Seitenflanken (16) und jeweils getrennt voneinander per Kühlgewindekopf (19), der auf der Trägerwelle (3) fest aufliegt. . Überlauf-Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" je Spindelrotor, mindestens 2- gängig ausgeführt

kurz auch als "Überlaufgewinde" benannt Kühlfluid, vorzugsweise Wasser bzw. Wasser als Hauptbestandteil, üblicherweise mit bekannten Zusätzen bzgl . Korrosionsschutz, Frostschutzmittel etc. Fördergas-Einlass-Seite (mit großen Rotorachsabständen und großen Durchmesser- Werten) Fördergas-Auslass-Seite (mit kleinen Rotorachsabständen und kleinen Durchmesser- Werten) Arbeitskammer-Nutgrund vom Gas-Förderungs-"Außengewinde" (6) Arbeitskammer-Seitenflanke vom Gas-Förderungs-"Außengewinde" (6) Spindelrotor-Basisrohr als röhrenförmiger Grundkörper, der innen vom Kühlgewinde-Nutgrund (15) und außen vom Arbeitskammer-Nutgrund (12) begrenzt wird und in Rotorlängsachsrichtung unterschiedlichen Wandstärke- Werte w i hat, die abhängig von der applikationsspezifischen Belastung und vom gewählten Rotormaterial möglichst gering ausgeführt werden, wobei dieses Spindelrotor-Basisrohr auf der Fördergas-Einlass-Seite (10) größere Durchmesserwerte als auf der Fördergas-Auslass-Seite ( 11) hat und außen mit dem Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) sowie innen mit dem (Wasser- )Kühlfluid-Führungs-"Innengewinde" (7) dann den einteiligen Spindelrotor (2) ergibt. Kühlgewinde-Nutgrund beim Kühlgewinde (7) Kühlgewinde-Seitenflanken beim Kühlgewinde (7) (Wasser-) Kühlfluid-Oberflächen-Linie in der Kühlgewindenut (18)

[im Betrieb wegen der Zentrifugalkräfte partiell vorderhand parallel zur Rotordrehachse] Kühlgewindenut (also die Kühlgewinde-Vertiefungen), die vom Kühlfluid (9) durchströmt wird und mit einer rauen Oberfläche gefertigt wird, z. B. : Mittenrauwerte R a zwischen 6,3 μιη und 12,5 μιη Kühlgewindekopf, also die Gewinde-Erhöhung als Materialraum zwischen den Seitenflanken (16), wobei die Kühlgewindeköpfe noch mit dem Überlauf- Ausgleichs-Nuten-"Innengewinde" (8) versehen sind. Wellenlinienform der Kühlgewindenut-Oberflächen (bei der Gewinde- Herstellung erzeugbar) (Rund-) Draht (in die Kühlgewindenut (18) optional eingelegt) radiale Kühlfluid-Zusatz-Querbohrungen optional, mindestens paarweise gegenüberliegend und mit kleinerem Bohrungs-Durchmesser d Q Z als bei den Grund-Querbohrungen (6) mit d Q G ausgeführt und mit der zentralen Kühlfluid-Zuführ-Bohrung (5) verbunden Start-Sammelnut-Verteilerraum, um das Kühlfluid aus den Grund- Querbohrungen (6) gleichmäßig in das Kühlgewinde (7) eintreten zu lassen, und in dem Abschnittsbereich liegend, in dem sich auch die Fördergas-Auslass- Seite (11) befindet.

zu Beginn der Kühlfluid-Zuführung steilere Radius-Änderung im Start-

Sammelnut-Verteilerraum (23) Anlauf-Einführrampe zum Verzahnprofil des Kühlgewindes (7) sanft ansteigend ausgeführt, um das Kühlfluid vom Sammelnut-Verteilerraum (23) ruhig in die Kühlgewindenuten (18) zu führen. Zwischen-Sammelnut-Verteilerraum, um das Kühlfluid aus den Zusatz- Querbohrungen (22) gleichmäßig dem Kühlgewinde (7) zusätzlich zuzuführen . Überlaufgewindenut, vorzugsweise als V-förmige Nut des Überlaufgewindes (8) ausgeführt

und in den Kühlgewindeköpfen (19) sich befindend Kühlfluid-Auffangraum als Sammelraum des Kühlfluids, auch als Kühlfuid- Vorratsraum

[vorzugsweise das Verdichtergehäuse ( 1) umschließend] Kühlfluid-Zuführung, auch als Kühlfluid-Zuführ-Bereich bezeichnet 9. Kühlfluid-Abführung, auch als Kühlfluid-Austritt-Bereich bezeichnet, und in dem Abschnittsbereich liegend, in dem sich auch die Fördergas-Einlass- Seite (10) befindet. 0. Kopfflächen der Kühlgewindeköpfe (19) mit der Stegbreite s w , fest auf der Trägerwelle (3) derartig aufliegend, dass die Gesamtheit der Kühlköpfe- Trägerwelle-Kontaktstellen im Betrieb das Rotordrehmoment sowie die Biegemomente durch die Fördergaskräfte auf der Trägerwelle (3) abstützen. 1. sanfter Übergabe-Bereich des Kühlfluids (9) vom rotierenden rohrförmigen Spindelrotorende auf das gestellfeste Außenteil (32. a) vom Kühlfluid- Aufnahme-Ringspalt (32) auf vollem Kreisumfang 2. Kühlfluid-Aufnahme-Ringspalt, der am 0-Umfang vollständig offen im Kühlfluid-Austritt-Bereich (29) je Spindelrotorende gebildet wird durch den geringen (weniger als 3 mm) Abstand zwischen

32. a gestellfestes Außenteil

32. b gestellfestes Innenteil 3. Auffang-Bauteil (gestellfest mit Abführung von Kühlfluid bei Überfüllung des Kühlgewindes)

Liste d e r Beze i ch n u n g e n :

Index i besagt an einer Position i in Rotorlängsachsrichtung und abhängig von den jeweiligen Zielsetzungen unterschiedlich zu den benachbarten Positionen ( i - 1 ) und ( i + 1 ) in Rotorlängsachsrichtung ausgeführt.

w R i mittlere Rippen-Wandstärke vom Gas-Förderungs-"Außengewinde" (4) am Fußgrundbereich

(längs der Spindelrotorachse unterschiedlich bei veränderlicher Steigung und anderen Größen) T ii Radius-Wert der Trägerwelle (3) an einer Position i in Rotorlängsachsrichtung

R K .i Radius-Wert zum Kühlgewinde-Nutgrund (15) an einer Position i in Rotorlängsachsrichtung

R K i stetig aber nicht mit konstantem Wert größer werdend vom Gas-Auslass zum Gas-Einlass, wobei beim Kühlfluid-Eintritt die Änderung der R K i - Radius- Werte größer ist als im späteren Kühlfluid-Verlauf G.i Radius-Wert zum Arbeitskammer-Nutgrund (12) an einer Position i in Rotorlängsachsrichtung w F j Wandstärke vom Spindelrotor-Basisrohr (14) als Abstand zwischen Arbeitskammer-Nutgrund (12) und Kühlgewinde-Nutgrund (15) in Rotorlängsachsrichtung mit unterschiedlichen Werten, die abhängig von der applikationsspezifischen Belastung und vom gewählten Rotormaterial möglichst gering ausgeführt werden und beispielsweise bei einem Stahlrotor unterhalb der mittleren Rippen-Wandstärke in dem jeweiligen Bereich liegt.

Je Position i ergibt sich der jeweilige Wert für w F i gemäß : w F i = R G i -

R s w i Stegbreite der festen Wellenauflage des Spindelrotors (2) auf seiner Trägerwelle (3) t K-i jeweilige Tiefe der Kühlgewindenut (18) an ein Position i gemäß : t K i =

b K j mittlere Breite der Kühlgewindenut (18) K i Nenn-Füllhöhe des Kühlfluids (Wassers) in der Kühlgewindenut (18) als Radius-Wert t ü-i jeweilige Tiefe der Überlaufnut vom Überlaufgewinde (8) zur Gewährleistung gleichmäßiger Kühlgewindenut-Befüllungen an ein Position i gemäß : t ü ,

= h K - R T d Q G Durchmesser der Grund-Querbohrungen zur Fliehkraft-unterstützten Kühlfluid- Weiterleitung von der zentralen Kühlfluid-Zuführ-Bohrung (6) zum Kühlgewinde (7) Durchmesser der Zusatz-Querbohrungen zur Fliehkraft-unterstützten Weiterleitung von zusätzlichem Kühlfluid von der zentralen Kühlfluid-Zuführ- Bohrung (6) zum Kühlgewinde (7)

Antriebs-Drehmoment eingeleitet auf dem Einlass-seitigen (10) Ende einer Trägerwelle (3),

beispielsweise über einen Riemen-Antrieb oder über direkt gekuppelte Antriebsmotorwelle, wobei dann die zentrale Kühlfluid-Zuführ-Bohrung (5) auch durch diese Antriebsmotorwelle läuft und das gestellfeste Auffang-Bauteil (33) sich dann am freien Ende dieser Antriebsmotorwelle befindet.