DE102009006040A1

DE102009006040A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102009006040A1
Application number: DE102009006040A
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist; Martin Graz; Stefan Kröss
Original assignee: Obrist Engineering GmbH; Bock Kaltemaschinen GmbH
Current assignee: Obrist Engineering GmbH; Bock GmbH
Priority date: 2009-01-24
Filing date: 2009-01-24
Publication date: 2010-07-29
Also published as: CN102439313A; US20110274575A1; WO2010084177A1; AU2010207729A1; EP2382391A1; JP2012515873A

Abstract

Verdichter (10), insbesondere Radialkolbenverdichter, weiterhin insbesondere Verdichter (10) für COals Kältemittel, welcher eine Verdichtereinheit (12) zum Verdichten von Kältemittel und eine Antriebswelle (22) zum Antreiben der Verdichtereinheit (12) sowie einen im Wesentlichen durch ein Motorgehäuse (16) begrenzten Motorraum (18) umfasst, wobei der Motorraum (18) über eine wenigstens teilweise in der Antriebswelle (22) ausgebildete Fluidverbindung (45) mit einer Sauggasseite, insbesondere Sauggaskammer (26), des Verdichters (10) in Fluidverbindung steht, wobei in der Fluidverbindung (45) wenigstens eine Vorrichtung (60, 62, 64) zum Aufstauen von Öl angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen Radialkolbenverdichter, und weiterhin insbesondere Verdichter für CO₂ als Kältemittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verdichter, insbesondere Verdichter für Kältemittel wie beispielsweise R134a, R404A, R507, R407C, R22 oder R744 (CO₂) sind im heutigen Zeitalter unverzichtbar geworden und kommen unter anderem im Bereich der mobilen Kühlung und Klimatisierung wie beispielsweise der Klimatisierung von Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, der Klimatisierung von Bussen und Bahnen und der Transportkühlung, aber auch der stationären Kühlung von Lebensmitteln, in Kühlhäusern oder in der Medizintechnik zum Einsatz. Auch im Bereich der Gebäuderaumklimatisierung sind derartige Verdichter heutzutage unerlässlich.
Aus dem Halbhermetik-Katalog der Anmelderin sind Beispiele für Verdichter bekannt, welche in einigen der genannten Bereiche zum Einsatz kommen. Insbesondere sind aus diesem Katalog Hubkolbenverdichter mit zwei, vier, sechs und acht Zylindern bekannt, welche Hubräume von in etwa 62 cm³ – 3.215 cm³ aufweisen.
Weiterhin ist aus der DE 103 56 373 A1 ein Verdichter in Form eines Radialkolbenverdichters bekannt, welcher eine Verdichtereinheit zum Verdichten von Kältemittel sowie eine Antriebswelle zum Antreiben der Verdichtereinheit umfasst. Die Mittelpunkte der Kolben sind beim Verdichter gemäß der DE 103 56 373 A1 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, welche durch die Antriebswelle senkrecht durchstoßen wird bzw. auf welche eine sich in Längsrichtung der Antriebswelle erstreckende Mittelachse senkrecht steht.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Verdichter, insbesondere Radialkolbenverdichter bekannt, deren Antriebswelle mit einem Elektromotor in Wirkeingriff steht, wobei der Motor im Wesentlichen durch ein Motorgehäuse, welches einen Motorraum in seinem Inneren definiert, begrenzt ist, wobei der Motorraum über eine Bohrung in der Antriebswelle mit einer Sauggaskammer, aus welcher das zu verdichtende Kältemittel angesaugt wird, in Fluidverbindung steht. Zur Kühlung des Motors wird ein Teilmassenstrom des Sauggases aus der Sauggaskammer über einen Kanal dem Motorraum zugeführt und über die vorstehend erwähnte Bohrung in der Antriebswelle dem Sauggasvolumen wieder zugeführt. Aufgrund der Strömungsverhältnisse kommt es dazu, dass der zum Sauggasvolumen zurückführende Teilmassestrom Öl enthält. Dieses Öl wird zur Schmierung von Lagern oder dergleichen verwendet. Je nach Betriebszustand des Verdichters kann es jedoch vorkommen (beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen), dass keine optimale Schmierung zustande kommt.
Ausgehend vom vorstehend erläuterten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter anzugeben, bei welchem für weite Betriebsbereiche eine gute Schmierung gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie aus den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von möglichen Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer teilweisen Schnittdarstellung in einer liegenden Einbauweise;
2 die Ausführungsform gemäß 1 in einer stehenden Einbauweise;
3 eine Detaildarstellung eines Ausschnitts aus den 1 und 2;
4 eine Detaildarstellung einer zweiten möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters analog zu der Darstellung in 3; und
5 eine Detaildarstellung einer dritten möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters analog zu der Darstellung in 3.
Wie beispielsweise aus den 1 und 2 ersichtlich ist, weist die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters 10 eine Verdichtereinheit 12 sowie eine Motoreinheit 14 auf. Die Motoreinheit 14 weist ein Motorgehäuse 16 auf, welches in der ersten Ausführungsform nicht nur einen Motorraum 18, sondern auch teilweise die Verdichtereinheit 12 begrenzt. Im Motorraum 18 ist neben einem Elektromotor 20 eine Antriebswelle 22 angeordnet, über welche der Motor 20 mit der Verdichtereinheit 12 in Wirkeingriff steht. Die Verdichtereinheit 12 weist in der beschriebenen ersten Ausführungsform sechs Kolben 24 auf, welche in radialer Richtung angeordnet sind. Die Kolben 24 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, welche durch die sich in Kolbenlängsrichtung erstreckenden Kolbenmittelachsen aufgespannt wird, und welche auf der Antriebswelle 22 senkrecht steht. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich auch eine andere Anzahl von Kolben 24 denkbar ist, wobei die Zahl der Kolben insbesondere durch die technischen Bedürfnisse des Verwenders des Verdichters 10 (Hubraum und gewünschte Verdichtungsleistung) bestimmt ist.
Die Verdichtereinheit 12 ist zum Verdichten von Kältemittel vorgesehen, wobei gängige Kältemittel wie beispielsweise R134a, R404A, R507, R407C, R22 oder aber auch vorzugsweise R744 (CO₂) als Kältemittel denkbar sind. Das Kältemittel gelangt auf einer Sauggasseite über eine sauggasseitig angeordnete sauggaskammer 26 in (in radialer Richtung ausgebildete) Zylinderbohrungen 28 des Verdichters 10, in welchen die Kolben 24 hin- und herbeweglich angeordnet sind. Die Verdichtung des Kältemittels erfolgt durch eine Bewegung der Kolben 24 in radialer Richtung. Ist der Kolben 24 in einer oberen Position in der Zylinderbohrung 28 angelangt, d. h. ist der Kolben 24 in einer radial nach außen gewandten Position angelangt, so wird das dann verdichtete Kältemittel in eine hochdruckseitig angeordnete Druckgaskammer 30 ausgestoßen, von wo aus das komprimierte Kältemittel einem dem Verdichter 10 zugeordneten Kältemittelkreislauf zur Verfügung gestellt wird.
Der Verdichter 10 weist zusätzlich zu der Verdichtereinheit 12 und der Motoreinheit 14 auch einen elektrischen Anschlusskasten 32 auf, welcher auf dem Motorgehäuse 16 des Verdichters 10 mittels Befestigungselementen z. B. in Form von Schrauben befestigt ist. Der Stator des Elektromotors 20 ist in dem Motorgehäuse 16 positioniert und kann an diesem beispielsweise mittels Schrauben fixiert sein.
Im Anschlusskasten 32 sind die elektrischen Anschlüsse für den Verdichter 10, insbesondere die Anschlüsse für die Strom- bzw. Spannungsversorgung des Elektromotors 20 angeordnet. Des Weiteren sind im Anschlusskasten 32 elektronische Motorschutz-Bauteile enthalten, an welchen auch Bauteile wie beispielsweise ein Wärmeschutzthermostat 38 angeschlossen werden können. Zur elektrischen Versorgung weist der Anschlusskasten 32 mehrere Kabeleinlässe 36 auf, welche, wie in 1 dargestellt ist, im unbenutzten Zustand verschlossen sein können, z. B. mittels Verschlusselementen. Bei den dargestellten Kabeleinlässen 36 handelt es sich vorzugsweise um vorgeprägte, ursprünglich geschlossene Aussparungen, welche erst durch Eindrücken geöffnet werden. Es sind somit keine separaten Bauteile erforderlich, sondern es handelt sich um Bereiche der Außenkontur des Anschlusskastens 32, welche zum leichteren Öffnen vorgeprägt wurden.
Ein Wärmeschutzthermostat 38 ist wegen der hohen Drücke der Kältemittel (z. B. CO₂) vorzugsweise nicht in direktem Kontakt mit dem Kältemittel angeordnet, sondern von dem Kältemittel getrennt in dem Motorgehäuse 16 angeordnet. Dadurch ist der Wärmeschutzthermostat 38 nur indirekt in Wärmeverbindung mit dem Kältemittel. Der Wärmeschutzthermostat 38 kann mittels eines Kabels 39 mit Elementen in dem Anschlusskasten 32 verbunden sein, z. B. durch einen Kabeleinlass 36 hindurch.
Zur Schmierung des Verdichters 10 befindet sich Schmiermittel in Form von Öl 41 im Verdichter 10. Die Vorratshaltung des Öls 41 erfolgt im Motorraum 18, wobei das Öl 41 nicht nur zur Schmierung von im Motorraum 18 angeordneten, sondern auch von Außerhalb des Motorraums 18 angeordneten Bestandteilen des Verdichters 10 Verwendung findet. Im Bereich des Motorraums 18 ist es notwendig, Lager 40, 42, 44 zu schmieren (vordere Lagerbuchse 42, hintere Lagerbuchse 44 sowie Lager 40 zur Lagerung der Antriebswelle 22 im Motorgehäuse 16). Außerhalb des Motorraums 18 benötigen die beweglichen Bestandteile der Verdichtereinheit 12, insbesondere die Kolben 24 eine entsprechende Schmierung.
Der Verdichter 10 weist eine Fluidverbindung 45 zwischen dem Motorraum 18 und der Sauggasseite (Sauggaskammer 26) auf, welche neben der Rückführung des den Motor kühlenden Teilmassestroms auch der Schmierung der Lager 40, 42, 44 dient. Die Fluidverbindung 45 ist zu großen Teilen in der Antriebswelle 22 ausgebildet und besteht unter anderem aus einer ersten in der Antriebswelle 22 ausgebildeten Axialaussparung in Form einer sich in axialer Richtung ersteckenden Bohrung 46. Weiterhin umfasst die Fluidverbindung 45 vier in radialer Richtung in der Antriebswelle 22 angeordnete Radialaussparungen in Form einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Radialbohrung 48, 50, 52, 54, welche mit der Bohrung 46 in Fluidkommunikation stehen. Zur Aufnahme des Teilmassestroms, welcher auch Öl bzw. Ölnebel beinhaltet, dient die erste Radialbohrung 48, welche sich durch die gesamte Antriebswelle 22 hindurch erstreckt, sodass sie zwei Öffnungen zum Motorraum 18 hin aufweist. Die zweite, dritte und vierte Radialbohrung 50, 52, 54 sind zur Schmierung der Lager 40, 42, 44 vorgesehen. Durch diese kann Öl 41 in radialer Richtung in die zu schmierenden Lagerstellen austreten. Der Austritt des Öls 41 in radialer Richtung wird durch die Drehbewegung der Antriebswelle 22 und die dadurch entstehenden Zentrifugalkräfte unterstützt.
Um eine Kühlung des Motors zu ermöglichen, ist die Sauggaskammer 26, wie bereits vorstehend erwähnt, mit dem Motorraum 18 mittels einer Fluidverbindung 45 verbunden. Die Fluidverbindung 45 weist unter anderem die als Teilmassestromeinlass dienende erste Radialbohrung 48, sowie die damit in Fluidkommunikation stehende Bohrung 46 auf. Zur Schmierung des Lagers 44 (zweite Lagerbuchse) weist die Fluidverbindung ferner eine mit der Bohrung 46 in Fluidkommunikation stehende Radialbohrung 54 auf. Die Radialbohrung 54 steht mit einer zweiten Axialaussparung in Form einer zweiten sich in axialer Richtung in der Antriebswelle 22 erstreckenden Bohrung 56 in Fluidkommunikation, welche einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der Querschnitt der Bohrung 46, und welche an ihrem dem Motorraum 18 abgewandten Ende mit der Sauggaskammer 26 in Fluidkommunikation steht. Am sauggasseitigen Ende der Bohrung 56 ist eine Stelle reduzierten Querschnitts in Form einer Düse 58 angeordnet, welche den Öleintrag in die Sauggaskammer 26 begrenzt und definiert. Je nach Bedarf wird die Düse 58 werksseitig ausgewählt und der entsprechende Querschnitt bzw. die entsprechende Durchflussrate an die konstruktiven Notwendigkeiten angepasst.
Der Öleintrag kann gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung zusätzlich zur Düse 58 oder anstatt der Düse 58 mittels des Bohrungsquerschnittes der Radialbohrung 54 oder der Axialbohrung 56 regulierbar sein, beispielsweise durch den Bohrungsquerschnitt selbst, oder durch eine in der Bohrung 54 bzw. 56 angeordnete Engstelle, oder eine Blende oder eine Klappe. Die Blende oder Klappe kann unverstellbar oder verstellbar ausgebildet sein, so dass durch sie der Ölfluss bzw. die Schmierung über die Sauggaskammer 26 abhängig von äußeren und ggf. auch verdichtereigenen Parametern gesteuert oder geregelt werden kann. Ferner ist es möglich, die Düse 58 mit einem veränderbaren Düsenquerschnitt und/oder einem vorgeschalteten Ventil zu versehen, welches in einer vorbestimmten oder variablen Taktrate öffnet oder schließt, so dass die der Sauggaskammer 26 zugeführte Ölmenge regelbar oder steuerbar ist.
Die beiden axialen Aussparungen 46 und 56 sind vorzugsweise mit radialem Abstand achsparallel zueinander in der Antriebswelle 22 gebildet, vorzugsweise in Form von achsparallelen Bohrungen.
Um eine sichere Ölversorgung insbesondere der Lager 42, 44, zu gewährleisten, ist in der Fluidverbindung 45 eine Vorrichtung zum Aufstauen von Öl in Form eines röhrenförmigen Elementes bzw. Rohres 60 angeordnet, welches dafür sorgt, dass die Düse 58 und die Radialbohrungen 52, 54 mit ausreichend Öl 41 versorgt werden. Neben der Aufstaufunktion stellt das Rohr 60, da es auf seiner dem Motorraum abgewandten Seite mit dem Sauggasvolumen in Fluidkommunikation steht, die Rückführung des Teilmassestroms vom Motor in das Sauggasvolumen sicher. Dem Abtransport überschüssigen, aufgestauten Öls 41 dient eine Öl-Überlauf-Vorrichtung in Form eines in die Antriebswelle 22 eingepressten und sich in die Axialbohrung 46 hineinerstreckenden Rohres 61. Es sei jedoch angemerkt, dass das Rohre 60 nicht zur Schmierung der Verdichtereinheit 12, sondern nur als Öl-Überlauf bei einer zu großen angestauten Ölmenge vorgesehen ist. Die Vorrichtung zum Aufstauen von Öl in Form des Rohres 60 ist zum Aufstauen von Öl 41 bei einer ununterbrochenen Fluidverbindung ausgebildet. Es bleibt anzumerken, dass das Rohr 60 einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der Axialbohrung 46, und dass das Rohr 60 konzentrisch zu der Axialbohrung 46 angeordnet ist und in diese hineinragt. Alternativ hierzu ist auch eine nicht konzentrische, jedoch parallele Anordnung zu der Bohrung 46 denkbar.
In 2 ist der in 1 dargestellte Verdichter 10 in einer stehenden Einbaulage dargestellt, wobei das Schmiermittel in Form des Öls 41 in dieser Einbauweise die Radialaussparung (Radialbohrung 48) bedeckt. Ein Betrieb ist auch mit einer bedeckten Radialaussparung möglich, wobei auch denkbar wäre, dass die Radialbohrung 48 oberhalb des Ölstandes angeordnet wird, um somit wiederum Ölnebel und nicht Öl 41 anzusaugen.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Rohr 60 als Vorrichtung zum Aufstauen von Öl ist es auch denkbar, dass in der Fluidverbindung 45 zwischen Motorraum 18 und der Sauggasseite bzw. Sauggaskammer 26 eine beispielsweise in der Antriebswelle 22 angeordnete Blende 62 (vgl. hierzu 4) und/oder reservoirartig oder beckenartig ausgebildete sich in radialer Richtung erstreckende Aussparungen 64 (vgl. hierzu 5) zum Aufstauen von Öl 41 ausgebildet sind. Wie in 5 dargestellt, sind die reservoirartigen Aussparungen 64 im Bereich der Radialbohrungen 52, 54 ausgebildet. Derartige reservoirartige Aussparungen sind selbstverständlich auch im Bereich der weiteren in radialer Richtung in der Antriebswelle angeordneten Aussparungen/Bohrungen denkbar. Die bei der Drehung der Antriebswelle 22 auftretenden Zentrifugalkräfte sorgen für eine sichere Ölversorgung der Aussparungen 64.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit einer bestimmten Merkmalskombination beschrieben wurde, umfasst sie jedoch auch weitere Kombinationen, wie sie insbesondere aber nicht erschöpfend durch die Unteransprüchen angegeben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10356373 A1 [0004, 0004]

Claims

Verdichter (10), insbesondere Radialkolbenverdichter, weiterhin insbesondere Verdichter (10) für CO₂ als Kältemittel, welcher eine Verdichtereinheit (12) zum Verdichten von Kältemittel und eine Antriebswelle (22) zum Antreiben der Verdichtereinheit (12) sowie einen im Wesentlichen durch ein Motorgehäuse (16) begrenzten Motorraum (18) umfasst, wobei der Motorraum (18) über eine wenigstens teilweise in der Antriebswelle (22) ausgebildete Fluidverbindung (45) mit einer Sauggasseite, insbesondere Sauggaskammer (26), des Verdichters (10) in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidverbindung (45) wenigstens eine Vorrichtung (60, 62, 64) zum Aufstauen von Öl angeordnet ist.
Verdichter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorrichtung (60, 62, 64) zum Aufstauen von Öl bei ununterbrochener Fluidverbindung ausgebildet ist.
Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (45) eine in axialer Richtung in der Antriebswelle (22) ausgebildete, insbesondere zylinderförmige erste Axialaussparung (46) umfasst.
Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (45) mit wenigstens einer in radialer Richtung in der Antriebswelle ausgebildeten, insbesondere zylinderförmigen Radialaussparung (48, 50, 52, 54) in Fluidkommunikation steht.
Verdichter (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (45) ein röhrenförmiges Element (60) aufweist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Axialaussparung (46), wobei das röhrenförmige Element (60) parallel oder konzentrisch zu der Axialaussparung (46) angeordnet ist und wenigstens teilweise in diese hineinragt.
Verdichter (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das röhrenförmige Element (60) mit der Sauggasseite, insbesondere Sauggaskammer (26) in Fluidkommunikation steht.
Verdichter (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (45) eine zweite in axialer Richtung in der Antriebswelle ausgebildete, insbesondere zylinderförmige Axialaussparung (56) umfasst, deren Querschnitt, insbesondere Durchmesser kleiner als der der ersten Axialaussparung (46) ist, und dass die zweite Axialaussparung (56) an ihrem einen Ende mit der ersten Axialaussparung (46) in Fluidkommunikation steht und an ihrem zweiten Ende in die Sauggasseite mündet.
Verdichter (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Axialaussparung (56) an ihrem einen Ende mit der ersten Axialaussparung (46) durch mindestens eine radial dazu sich erstreckende Radialaussparung (54), vorzugsweise Radialbohrung, in Fluidkommunikation steht.
Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (45) eine Stelle reduzierten Querschnitts aufweist.
Verdichter (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle reduzierten Querschnitts eine Düse (58) oder eine Blende (62) oder eine Stelle reduzierter Materialaussparung oder eine Klappe umfasst.
Verdichter (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle reduzierten Querschnitts in der zweiten Axialaussparung (56) und/oder in der Radialaussparung (54) angeordnet ist.
Verdichter (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle reduzierten Querschnitts einen verstellbaren, insbesondere steuerbaren oder regelbaren Querschnitt aufweist.
Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (45) mindestens eine weitere in der Antriebswelle (22) angeordnete, insbesondere reservoirartige oder beckenartige Aussparung (64) umfasst, welche zum Aufstauen des Öls (41) ausgebildet ist.
Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölüberlauf vorgesehen ist, welcher die Menge des aufgestauten bzw. bevorrateten Öls (41) bestimmt.
Verdichter (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölüberlauf ein röhrenförmiges Element (61) umfasst, welches in einer Radialaussparung in der Antriebswelle (22) angeordnet ist und in die Fluidverbindung (45) zwischen Motorraum (18) und Sauggasseite hineinragt.