celem tej części cyklu artykułów jest przybliżenie ogólnych zasad konstrukcji i działania sprężarki tak, aby na ich tle można było przedstawić osobom zainteresowanym, czynnym w projektowaniu, obsłudze i eksploatacji, specyfikę sprężarek spiralnych oraz różnice i podobieństwa jakie występują pomiędzy tymi urządzeniami, a dobrze znanymi i rozpowszechnionymi w eksploatacji sprężarkami tłokowymi i śrubowymi. W artykule nie są poruszane zagadnienia teoretyczne dotyczące samej geometrii segmentów spiralnych sprężarek, na temat których jest publikowana dość bogata literatura, przeznaczona raczej dla wąskiej grupy specjalistów.

     Sprężarki spiralne zawdzięczają swoje powodzenie następującym istotnym okolicznościom, które zaistniały równocześnie w ostatnich latach:
● opanowaniu technologii precyzyjnej obróbki walcowych powierzchni segmentów spiralnych o zmiennej krzywiźnie profilu (obrysu), dzięki czemu można było przystąpić do realizacji koncepcji sprężarki spiralnej wg patentu zgłoszonego przed 100 laty,
● zmniejszeniu obciążeń termicznych sprężarek wskutek wprowadzenia do powszechnego stosowania nowych czynników ziębniczych (R134a, R404A, R507, R407C, R410), o obniżonej wartości wykładnika politropy sprężania, co było bardzo istotne, dla sprężarki spiralnej wrażliwej na te obciążenia,
● podstawowe zapotrzebowanie na sprężarki tej wielkości w klimatyzacji, gdzie występuje niski spręż czynnika w obiegu termodynamicznym, sprzyjający konstrukcji i technologii segmentów spiralnych i warunkom eksploatacji sprężarki.

Budowa sprężarki

     Na rys. 6 przedstawiono przekrój typowej, współczesnej, hermetycznej sprężarki spiralnej. Większość sprężarek spiralnych ma budowę pionową, z usytuowaniem zespołu sprężającego u góry i silnika u dołu. Są również wykonania, w których silnik jest usytuowany u góry a zespół sprężający u dołu. Czasem stosuje się takie układy dla wyeliminowania nadmiernych drgań. Niektóre sprężarki, na ogół jednostki większe, mają budowę poziomą. Często wynika to z wymagań ich zabudowy w obiektach, które podlegają ograniczeniom gabarytów [15], jak np. meble i komory chłodnicze, pojazdy, kontenery, wagony kolejowe itp. (por. rys. 7). Sprężarki te występują w wykonaniach hermetycznych i semihermetycznych. Na rys.6 wyszczególniono zasadnicze zespoły sprężarki. Zespół sprężający, który stanowi właściwą sprężarkę, składa się w zasadzie tylko z dwóch części, oznaczonych na rysunku jako segment nieruchomy i segment orbitujący. Spirale te, a właściwie tarcze kołowe z segmentami spiralnymi pokazano w widoku na rys. 8. Nie wdając się w szczegóły geometrii segmentów można ich budowę opisać następująco. Każda tarcza posiada jeden segment spiralny, wykonany w postaci prostopadłego do tarczy segmentu ścianki walcowej o krzywiźnie spiralnej. Segment tworzy całość z tarczą. Środek geometryczny tarczy pokrywa się ze środkiem spirali segmentu. Tarcza nieruchoma jest osadzona w obudowie sprężarki, w pozycji zwróconej segmentem spiralnym w dół.
     Tarcza ruchoma jest zwrócona segmentem spiralnym w górę i opiera się od dołu na łożysku poprzecznym, osadzonym w korpusie sprężarki. Oba segmenty wchodzą w swego rodzaju wzajemne zazębienie na całej wysokości, dochodząc swymi płaszczyznami czołowymi do umownego styku z przeciwległymi płaszczyznami wrębów obu tarcz. Czynnik sprężany w trakcie działania sprężarki powoduje odpychanie obu tarcz od siebie i dla utrzymania szczelności na ich styku czołowym siły te muszą być przejmowane przez obudowę sprężarki. Tarcza ruchoma ma

napęd poprzez sprzęgło podatne od wału głównego sprężarki. W czasie obrotu wału tarcza ruchoma wykonuje ruch orbitalny, w trakcie którego oś pionowa tarczy przechodząca przez środek geometryczny tarczy i segmentu ruchomego przemieszcza się po kole opisywanym przez promień mimośrodu na wale, nie wykonując przy tym w zasadzie ruchu obrotowego (por. rys.16). Oznacza to, że obie główne osi średnicowe tarczy w czasie jej ruchu przemieszczają się równolegle do położenia początkowego (ruch orbitalny). Mimośrodowość wału jest tak dobrana, że w trakcie ruchu tarczy dochodzi do umownego liniowego styku powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych obu segmentów w kilku punktach na obwodzie ich obrysu. Pomiędzy tymi liniami styku tworzą się między segmentami otwarte i zamknięte przestrzenie robocze w postaci sierpowych kieszeni lub komór. W trakcie ruchu orbitalnego tarczy linie styku segmentów przemieszczają się stopniowo w kierunku środka tarczy i równocześnie, zamknięte pomiędzy nimi komory robocze, zmniejszają swoją objętość (rys. 9). W końcowej fazie działania zespołu sprężającego następuje przemieszczenie się komory w obręb otworu wylotowego w tarczy nieruchomej i wypieranie sprężonego czynnika wskutek kontynuowanego zmniejszania się objętości komory (kieszeni) roboczej, umownie do wartości zerowej. Analogiczny i równoczesny proces napełniania i sprężania odbywa się po przeciwległej stronie tarcz zespołu sprężającego, który rozpoczyna się od napełnienia drugiej kieszeni ssawnej. Ponieważ segmenty spiralne, po zmontowaniu obu tarcz tworzą na swoim obwodzie równocześnie kilka komór roboczych, to w każdym momencie działania zespołu występuje w nim kilka par komór roboczych, z których każda para znajduje się w innej fazie zaawansowania procesu sprężania jak to obrazuje rys. 10.

Kompresja
(...)

Szczelność
(...)

Szczelność obwodowa
(...)

Szczelność osiowa
(...)

Napęd
(...)

Smarowanie
(...)

Dodatkowe wyposażenie sprężarek standardowych

Zawory zwrotne
     W trakcie badań eksploatacyjnych stwierdzono, że podczas zatrzymywania sprężarek następował powrotny przepływ czynnika o wysokim ciśnieniu, poprzez spirale sprężarki na stronę ssawną, wprawiając w ruch obrotowy tarczę ruchomą i wał w kierunku odwrotnym do normalnego [6]. Aby zapobiec takiemu zjawisku konieczne było zamontowanie w króćcu tłocznym sprężarki zaworu zwrotnego. Zawór ten odcinał dopływ czynnika o wysokim ciśnieniu z instalacji do sprężarki. Pozostał jednak nadal problem rozładowania ciśnienia czynnika w pozostałych przestrzeniach sprężarki znajdującej się pod ciśnieniem tłoczenia, powodujący podobne zachowanie sprężarki po jej wyłączeniu i jej rozbieganie w przeciwnym kierunku. Problem ten rozwiązywano np. przez stosowanie bocznika z zaworem elektromagnetycznym otwierającym przepływ czynnika ze strony tłocznej sprężarki na ssawną równocześnie z jej wyłączeniem. Jako rozwiązanie alternatywne stosowano tarczę hamującą osadzoną na wale sprężarki i zanurzoną w wannie olejowej, która w momencie wystąpienia zmiany kierunku obrotów wału sprzęgała się z nim i hamowała ruch sprężarki do czasu samoczynnego rozładowania ciśnienia poprzez sprężarkę (por. rys. 6). W niektórych konstrukcjach sprężarek zawór zwrotny typu płytkowego, pierścieniowego, umieszcza się wewnątrz sprężarki, bezpośrednio na wylocie czynnika z tarczy nieruchomej (por. rys. 17), dzięki czemu następuje praktycznie wyeliminowanie powrotnego przepływu czynnika po zatrzymaniu sprężarki.

Zawory nadmiarowe i termostaty
     Podobnie jak w innych rodzajach sprężarek wyporowych, w przestrzeniach tłocznych montowane są wewnętrzne zawory nadmiarowe, które zabezpieczają sprężarkę przed przekraczaniem dopuszczalnego ciśnienia tłoczenia przez upuszczanie czynnika na stronę ssawną sprężarki (por. rys. 6). Również w tym samym miejscu zakładane są czujniki termostatów, w celu zabezpieczenia sprężarki przed nadmierną temperaturą tłoczenia.

Zabezpieczenia termiczne silników
     Silniki napędowe sprężarek są zabezpieczane w analogiczny sposób, jak w przypadku sprężarek tłokowych, hermetycznych i semihermetycznych.