DE102006038726B4 - Refrigerant compressor for air conditioning and method for oil separation and pressure pulsation damping this - Google Patents
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Abstract
Kältemittelverdichter für Klimaanlagen mit Ölabscheidung und Schalldämpfung zur Anwendung in Fahrzeugen, zumindest umfassend ein mit dem Kurbelgehäuse des Kältemittelverdichters gekoppeltes Gehäuse (1), dessen Innenraum unter Verwendung einer Strömungsleiteinrichtung (9) in drei miteinander kommunizierende Kammern (3, 4 und 6) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) hohlzylindrisch ausgebildet und durch die in das Gehäuse (1) einsetzbare Strömungsleiteinrichtung (9) unterteilt wird in:
a. eine erste kreisringzylinderförmige Kammer (3) mit einem tangentialen Einlass (2) für das Öl/Kältemittel-Gemisch,
b. eine der ersten Kammer (3) nachgeordnete zweite kreiszylinderförmige Kammer (4) mit einem bezüglich der Schwerkraft am tiefsten Punkt platzierten Ölablauf (5) für das abgeschiedene Öl,
c. eine sich an die zweite Kammer (4) anschließende dritte kreiszylinderförmige Kammer (6) mit einem Auslass (7) für das gasförmige Kältemittel
d. wobei die Strömungsleiteinrichtung (9), die die drei Kammern (3, 4 und 6) voneinander abtrennt, koaxial zur Längsachse (15) des Gehäuses (1) platziert ist...Refrigeration compressor for oil separation and noise control air conditioning systems for use in vehicles, comprising at least one housing (1) coupled to the crankcase of the refrigerant compressor, the interior of which is divided into three mutually communicating chambers (3, 4 and 6) using a flow guide (9), characterized in that the housing (1) is formed as a hollow cylinder and by the in the housing (1) insertable flow guide (9) is divided into:
a. a first annular cylindrical chamber (3) with a tangential inlet (2) for the oil / refrigerant mixture,
b. a second circular cylindrical chamber (4) arranged downstream of the first chamber (3) and having an oil outlet (5) for the separated oil placed at the lowest point in terms of gravity;
c. a third circular cylindrical chamber (6) adjoining the second chamber (4) and having an outlet (7) for the gaseous refrigerant
d. wherein the flow guide (9) separating the three chambers (3, 4 and 6) is placed coaxially with the longitudinal axis (15) of the housing (1) ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter für Klimaanlagen, insbesondere ein schallgedämpfter Kältemittelverdichter mit Ölabscheidung zur Anwendung in Fahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Ölabscheidung und Druckpulsationsdämpfung hierzu.The invention relates to a refrigerant compressor for air conditioning systems, in particular a sound-damped refrigerant compressor with oil separation for use in vehicles, according to the preamble of
Zum Zwecke der Erzielung einer hohen Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Kältemittelverdichtern wird zur Verringerung des Verschleißes derselben Öl zur Schmierung eingesetzt. Neben der erforderlichen Schmierung übernimmt das Öl auch eine Abdichtfunktion, vor allem zwischen Kolben und Zylinderwand, und führt zudem Reibungswärme ab.For the purpose of achieving high reliability and service life of refrigerant compressors, the same oil is used for lubrication to reduce wear. In addition to the required lubrication, the oil also performs a sealing function, especially between the piston and the cylinder wall, and also dissipates frictional heat.
Das Öl wird dazu im Fußbereich des Gehäuses des Kältemittelverdichters, speziell im Kurbelgehäuse, in einem Ölsumpf bevorratet und durch die Kompression des Kältemittels im Verdichterblock nach oben befördert.The oil is stored in the foot area of the housing of the refrigerant compressor, especially in the crankcase, in an oil sump and transported by the compression of the refrigerant in the compressor block upwards.
Allerdings ist es erforderlich, dass das Kältemittel/Öl-Gemisch vor Verlassen des Kältemittelverdichtergehäuses separiert, d. h. das Öl sicher wird vom Kältemittel, z. B. Gas, abgeschieden, und in den Ölsumpf des Kurbelgehäuses zurückgelangt. Als Ölabscheider sind hierbei Zyklonseparatoren, Abscheider mit Filtertechnik und Beruhigungsräume zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit vorbekannt.However, it is necessary that the refrigerant / oil mixture separates before leaving the refrigerant compressor housing, i. H. the oil is safe from the refrigerant, eg. As gas, deposited, and returned to the oil sump of the crankcase. Cyclone separators, separators with filter technology and calming chambers for reducing the flow velocity are previously known as oil separators.
Eine weitere Anforderung besteht darin, dass der Kältemittelverdichter während seines Betriebs nur ein, durch die Fahrzeuginsassen im Fahrzeuginnenraum geringes wahrnehmbares Geräusch verursachen sollte. Betriebsgeräusche des Kältemittelverdichters entstehen hauptsächlich durch die bei der Kompression verursachte Druckpulsation. Zur Verringerung dieser Druckpulsationen werden in der Praxis verschiedene Strukturen eingesetzt, vorrangig jedoch Kammern, in denen die Druckwelle durch Expansion gedämpft wird.Another requirement is that the refrigerant compressor during its operation should only cause a low perceptible noise by the vehicle occupants in the vehicle interior. Operating noise of the refrigerant compressor is mainly due to the pressure pulsation caused by the compression. To reduce these pressure pulsations various structures are used in practice, but primarily chambers in which the pressure wave is attenuated by expansion.
Aus der
Die
Nach der
Aus dem Stand der Technik ist die
In der
Des Weiteren ist aus der
Weitere gattungsgemäße Lösungen sind in der
Die wesentlichen Nachteile der aus dem Stand der Technik vorbekannten Lösungen bestehen darin, dass die Ölabscheidevorrichtungen und die Schalldämpfer einen nicht unerheblichen Bauraum innerhalb des Kompressors erfordern, was in der Regel mit hohen Herstellungskosten einhergeht. Darüber hinaus unterliegen raumgreifende Kompressoren gewissen Einbaubeschränkungen hinsichtlich des Packagings bei kleinen Motorräumen von Fahrzeugen.The main disadvantages of the previously known from the prior art solutions are that the Ölabscheidevorrichtungen and the muffler require a considerable space within the compressor, which is usually associated with high production costs. In addition, large-capacity compressors are subject to certain installation restrictions with regard to packaging in small engine compartment of vehicles.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen schallgedämpften Kältemittelverdichter mit Ölabscheidung für Klimaanlagen von Fahrzeugen vorzuschlagen, der bei einer effizienteren Druckpulsationsdämpfung und Ölabscheidung nur einen geringen Bauraum erfordert.The object of the invention is now to propose a silenced refrigerant compressor with oil separation for air conditioning systems of vehicles, which requires only a small space with a more efficient Druckpulsationsdämpfung and oil separation.
Nach der Konzeption der Erfindung umfasst der Kältemittelverdichter für Klimaanlagen einen schallgedämpften Kältemittelverdichter mit Ölabscheidung zur Anwendung in Fahrzeugen, zumindest ein mit dem Kurbelgehäuse des Kältemittelverdichters gekoppeltes Gehäuse, dessen Innenraum in mehrere miteinander kommunizierende Kammern unterteilt ist. Erfindungsgemäß umfasst das Gehäuse in Strömungsrichtung des Öl/Kältemittelgemischs eine erste Kammer mit einem Einlass für das Öl/Kältemittel-Gemisch. Der ersten Kammer nachgeordnet ist eine zweite Kammer mit einem bezüglich der Schwerkraft am tiefsten Punkt platzierten Ablauf für das abgeschiedene Öl. An die zweite Kammer schließt sich eine dritte Kammer mit einem Auslass für das gasförmige Kältemittel an. Zusätzlich ist eine die drei Kammern voneinander abtrennende Strömungsleiteinrichtung vorgesehen, die sich – ausgehend von der zweiten Kammer – kanalartig durch die erste Kammer hindurch bis zur dritten Kammer erstreckt. Der der dritten Kammer zugewandte Endbereich der Strömungsleiteinrichtung ist als Trennwand und der zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer platzierte Endbereich der Strömungsleiteinrichtung ist als Trichter mit einem zwischen dem Trichterrand und der Gehäuseinnenwand sich ausbildenden Ringspalt geformt.According to the concept of the invention, the refrigerant compressor for air conditioners comprises a soundproofed refrigerant compressor with oil separation for use in vehicles, at least one housing coupled to the crankcase of the refrigerant compressor, the interior of which is divided into a plurality of communicating chambers. According to the invention, the housing in the flow direction of the oil / refrigerant mixture comprises a first chamber with an inlet for the oil / refrigerant mixture. Downstream of the first chamber is a second chamber with a gravity-deposited at the lowest point outlet for the separated oil. The second chamber is followed by a third chamber with an outlet for the gaseous refrigerant. In addition, a three-chamber separating flow guide is provided, which extends - starting from the second chamber - channel-like through the first chamber to the third chamber. The end region of the flow-guiding device facing the third chamber is formed as a dividing wall and the end region of the flow-directing device placed between the first chamber and the second chamber is formed as a funnel with an annular gap forming between the funnel edge and the inner wall of the housing.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Kältemittelverdichter, insbesondere für gasförmiges Kältemittel, bereitgestellt, mit dem auf engstem Raum sowohl eine effiziente Ölabscheidung von Öl/Kältemittel als auch eine durch Kompression verursachte Druckpulsationsdämpfung realisiert werden können. Während die Ölabscheidung unter Ausnutzung des Zentrifugal- und Düsenprinzips bzw. des Koaleszenz-Prinzips mit Düseneinblasung in der zweiten Kammer erfolgt, wird die Druckpulsationsdämpfung in jeder der drei Kammern mittels Druckexpansion durchgeführt. Letztere wird konstruktiv dadurch erreicht, indem unter Verwendung von Querschnittsverengungen unmittelbar vor Eintritt des Öl/Kältemittel-Gemischs in die drei Kammern der hydrostatische Druck desselben gesenkt und der hydrodynamische Druck erhöht wird.With the solution according to the invention, a refrigerant compressor, in particular for gaseous refrigerant, is provided, with which both an efficient oil separation of oil / refrigerant and a compression pulsation damping caused by compression can be realized in a confined space. While the oil separation takes place by utilizing the centrifugal and nozzle principle or the coalescing principle with nozzle injection in the second chamber, the pressure pulsation damping is performed in each of the three chambers by means of pressure expansion. The latter is achieved structurally by lowering the hydrostatic pressure of the same and increasing the hydrodynamic pressure using cross-sectional constrictions immediately before the oil / refrigerant mixture enters the three chambers.
Die Ausbildung, d. h. der Querschnitt, die Baulänge und die Ausrichtung, der Strömungsleiteinrichtung bemisst sich nach konstruktiven Vorgaben in Bezug auf die zulässige Gesamtbaugröße des Kältemittelverdichters und nach dem gewünschten Grad der Ölabscheidung. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die kanalartig ausgebildete Strömungsleiteinrichtung koaxial zur Längsachse des mit dem Kurbelgehäuse des Kältemittelverdichters gekoppelten Gehäuses platziert, wobei für den Querschnitt der Strömungsleiteinrichtung eine Kreisform gewählt ist.The training, d. H. the cross-section, the length and the orientation, the flow guide is measured according to design specifications in terms of the permissible overall size of the refrigerant compressor and the desired degree of oil separation. In the embodiment according to the invention, the channel-like flow guiding device is placed coaxially with the longitudinal axis of the housing coupled to the crankcase of the refrigerant compressor, wherein a circular shape is selected for the cross section of the flow guiding device.
Der für das Öl/Kältemittel-Gemisch vorgesehene Einlass der ersten Kammer ist besonders bevorzugt orthogonal zur Längsachse der kanalartig ausgebildeten Strömungsleiteinrichtung in der Gehäusewand angeordnet. Der Einlass ist bevorzugt als eine oder mehrere Bohrung(en) ausgebildet, der tangential an der ersten Kammer angeordnet ist. Somit kann das einströmende Öl/Kältemittel-Gemisch unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft sich an die Gehäuseinnenwand der ersten Kammer anlegen. Nach der Beschleunigung in dem sich im Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Kammer ausbildenden Ringspalt und der sich daran anschließenden Strömungsrichtungsumkehr wird gemäß dem Schwerkraftprinzip aufgrund der Massenträgheit das Öl aus dem Öl/Kältemittel-Gemisch physikalisch abgeschieden.The intended for the oil / refrigerant mixture inlet of the first chamber is particularly preferably arranged orthogonal to the longitudinal axis of the channel-like flow guide in the housing wall. The inlet is preferably formed as one or more bore (s), which is arranged tangentially to the first chamber. Thus, the incoming oil / refrigerant mixture can make use of the centrifugal force to the housing inner wall of the first chamber. After the acceleration in the annular gap forming in the transition region between the first and the second chamber and the subsequent flow direction reversal, the oil is physically separated from the oil / refrigerant mixture according to the principle of gravitational force due to the inertia.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an der Gehäuseinnenwand der zweiten Kammer im Bereich des Ringspalts, oder unmittelbar darunter, ein Ölfilter platziert, der mit dem Ölablaufkanal gekoppelt ist. Dieser Ölfilter kann sich dabei vollständig oder nur partiell ringförmig, z. B. punktuell, an der Gehäuseinnenwand erstrecken.In a particularly advantageous embodiment of the invention, an oil filter is placed on the housing inner wall of the second chamber in the region of the annular gap, or immediately below, which is coupled to the oil drain passage. This oil filter can be completely or only partially annular, z. B. point, on the housing inner wall.
Zusätzlich oder alternativ zum Ölfilter kann ein zur Agglomeration der Öltropfen geeignetes Fasermaterial bzw. Fasergewirk vorgesehen werden, welches in der zweiten Kammer, vorzugsweise im unteren Bereich der zweiten Kammer, platziert ist.In addition or as an alternative to the oil filter, it is possible to provide a fibrous material or fiber weft suitable for agglomeration of the oil droplets, which fiber material is placed in the second chamber, preferably in the lower region of the second chamber.
Dem Erfindungsgedanken zufolge wird das Öl/Kältemittelgemisch innerhalb des Gehäuses in der zweiten Kammer einer Strömungsrichtungsumkehr unterzogen. Hierzu sind sowohl der trichterartig ausgebildete Endbereich der Strömungsleiteinrichtung als auch die Gehäuseinnenwand entsprechend ausgebildet bzw. ausgeformt. Auch durch eine werkseitig vordefinierte Neigung der Trichterflanken wird ein gewünschter Grad der Ölabscheidung erzielt. According to the idea of the invention, the oil / refrigerant mixture within the housing in the second chamber is subjected to a flow direction reversal. For this purpose, both the funnel-shaped end portion of the flow guide and the housing inner wall are formed or formed accordingly. Also by a factory predefined inclination of the funnel flanks a desired degree of oil separation is achieved.
In der Praxis sind die drei Kammern des mit dem Kurbelgehäuse des Kältemittelverdichters gekoppelten Gehäuses im Querschnitt jeweils kreisförmig ausgebildet, wobei durch die Lage der ersten Kammer im Gehäuse – nämlich anaxial zwischen der zweiten und dritten Kammer – diese als Zylinder ausgeformt ist. Die distalen Enden der zweiten und dritten Kammer sind aus strömungstechnischen Gründen und aus Gründen der Druckfestigkeit bevorzugt als Kugelkappe oder zylinderförmig mit abgerundeten Kanten ausgebildet.In practice, the three chambers of the housing coupled to the crankcase of the refrigerant compressor are each circular in cross-section, wherein the position of the first chamber in the housing - namely anaxially between the second and third chamber - this is formed as a cylinder. The distal ends of the second and third chambers are preferably formed as a spherical cap or cylindrical with rounded edges for flow reasons and for reasons of compressive strength.
Das Verfahren zur Ölabscheidung und Druckpulsationsdämpfung innerhalb eines Kältemittelverdichters erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Druckpulsationsdämpfung durch eine Reflexion der Druckwellen in jeder der drei miteinander kommunizierenden Kammern unter Verwendung der den Strömungsquerschnitt verändernden Strömungsleiteinrichtung erfolgt. Durch eine gezielte Querschnittsverengung zwischen den Kammern und eine sich daran anschließende Querschnittserweiterung in den Kammern wird die bei der Kompression im Kältemittelverdichter auftretende Druckwelle abgeschwächt bzw. gänzlich abgebaut.The method for oil separation and pressure pulsation damping within a refrigerant compressor is effected according to the invention in that the pressure pulsation damping takes place by reflection of the pressure waves in each of the three chambers communicating with one another using the flow cross section which changes the flow cross section. Through a targeted cross-sectional constriction between the chambers and an adjoining cross-sectional widening in the chambers, the pressure wave occurring during compression in the refrigerant compressor is weakened or completely degraded.
Die Ölabscheidung hingegen wird durch das tangentiale Eindüsen, Expandieren und Abkühlen des Öl/Kältemittelgemischs über den Einlass des Gehäuses in die erste Kammer und unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, Schwerkraft und der am Einlass sowie am Ringspalt auftretenden Düsenwirkung in der zweiten Kammer realisiert.Oil separation, on the other hand, is accomplished by tangentially injecting, expanding and cooling the oil / refrigerant mixture through the inlet of the housing into the first chamber and utilizing the centrifugal force, gravity, and nozzle action in the second chamber at the inlet and annular gap.
Alternativ oder zusätzlich werden Öltropfen über ein innerhalb der zweiten Kammer platziertes Fasermaterial bzw. Fasergewirk agglomeriert und unter Ausnutzung der Schwerkraft und des Druckgefälles abgeschieden. Dieses Fasermaterial bzw. Fasergewirk ist dazu vorzugsweise als Filtergewirk ausgebildet.Alternatively or additionally, oil drops are agglomerated via a fiber material or fiber fabric placed within the second chamber and separated by utilizing gravity and the pressure gradient. This fiber material or Fasergewirk is preferably designed as a filter fabric.
Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- – effiziente Trennung des Öls vom Kältemittel, wodurch eine gute Schmierwirkung und damit eine hohe Lebensdauer des Kältemittelverdichters erzielt wird,
- – effiziente Reduzierung der Druckpulsation des Kältemittels führt zu einem geringeren wahrnehmbaren Betriebsgeräusch im Fahrzeug,
- – geringer Raumbedarf des Kältemittelverdichters durch Funktionsintegration, wodurch der Einsatz des Kältemittelverdichters auch in kleineren Motorräumen ermöglicht wird und
- – niedrige Fertigungskosten durch reduzierten Materialeinsatz, Fertigungsaufwand und Zukauf von Fremdteilen.
- - efficient separation of the oil from the refrigerant, whereby a good lubricating effect and thus a long service life of the refrigerant compressor is achieved,
- Efficient reduction of the pressure pulsation of the refrigerant leads to a lower perceptible operating noise in the vehicle,
- - Low space requirement of the refrigerant compressor through functional integration, whereby the use of the refrigerant compressor is made possible even in smaller engine compartments and
- - low production costs due to reduced material usage, production costs and purchase of foreign parts.
Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:The objectives and advantages of this invention will become better understood and appreciated after a careful study of the following detailed description of the preferred non-limiting example embodiments of the invention herein, together with the accompanying drawings, in which:
Die
Die nachstehend erläuterte Wirkungsweise erleichtert das Verständnis des erfindungsgemäßen schallgedämpften Kältemittelverdichters mit Ölabscheidung.The operation explained below facilitates the understanding of the sound-damped refrigerant compressor according to the invention with oil separation.
Das Öl/Kältemittel-Gemisch strömt mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit tangential über den Einlass
In der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Gehäusecasing
- 22
- Einlassinlet
- 33
- erste Kammerfirst chamber
- 44
- zweite Kammersecond chamber
- 55
- Ölablaufoil drain
- 66
- dritte Kammerthird chamber
- 77
- Auslassoutlet
- 88th
- GehäuseinnenwandHousing inner wall
- 99
- Strömungsleiteinrichtungflow guide
- 1010
-
Endbereich der Strömungsleiteinrichtung
9 End region of the flow-guidingdevice 9 - 1111
- Trennwandpartition wall
- 1212
-
Endbereich der Strömungsleiteinrichtung
9 End region of the flow-guidingdevice 9 - 1313
- Trichterfunnel
- 1414
- Ringspaltannular gap
- 1515
-
Längsachse des Gehäuses
1 Longitudinal axis of thehousing 1 - 1616
- Ölfilteroil filter
- 1717
- Strömungsverlaufflow path
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