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Die Erfindung betrifft einen Kaltemittelverdichter mit einem elektrischen Motor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor mit einer hohlen Welle verbunden ist, die mit einem stirnseitigen Ende in einen Ölsumpf eintaucht, wobei ein stationäres Verdrängerelement zumindest teilweise innerhalb der Welle angeordnet ist und zwischen der Welle und dem Verdrängerelement ein insbesondere spiralformiger Öltransportpfad ausgebildet ist.
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Derartige Kältemittelverdichter, die in der Regel hermetisch dicht ausgebildet sind, werden üblicherweise in Verbindung mit Kälteaggregaten, wie zum Beispiel Kühlschränken oder Tiefkühltruhen eingesetzt. Wie die meisten umlaufenden Maschinen müssen Kältemittelverdichter im Betrieb geschmiert werden. Dafür ist innerhalb eines den Kältemittelverdichter umgebenden Gehäuses ein Ölvorrat vorgesehen, der als Ölsumpf bezeichnet wird. Das zum Schmieren erforderliche Schmiermittel wie z. B. Öl wird aus diesem Ölsumpf entnommen und den Lagerstellen, an denen eine Schmierung notwendig ist, zugeführt. Unter der Wirkung der Schwerkraft gelangt das Öl anschließend zurück in den Ölsumpf. Das Öl wird dabei häufig auch gleichzeitig zur Kuhlung des Motors verwendet.
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Zur Entnahme des Öles aus dem Ölsumpf ist es bekannt, eine Ölpumpe durch das Zusammenwirken der rotierenden Welle des Rotors mit dem stillstehenden Verdrängerelement zu bilden. Ein entsprechender Kältemittelverdichter ist beispielsweise in
DE 195 10 015 C2 oder in
EP 1 605 163 A1 beschrieben. Bei diesen Kältemittelverdichtern ist zwischen einer Innenseite der Welle und einer Außenseite des Verdrängerelements ein spiralförmiger Öltransportpfad ausgebildet. Das Verdrangerelement dient dabei nur zur Ausbildung dieses Transportpfades.
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Zur Unterbringung des Rotors im Kältemittelverdichter ist eine Lagerung erforderlich, die sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen kann. Üblicherweise ist dafür radial außerhalb der Welle ein Lager vorgesehen, das sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen kann. Ein derartiges Lager weist jedoch relativ hohe Reibungsverluste auf, die insbesondere noch dadurch verstärkt werden, dass eine Schmierung durch das Öl häufig nur unzureichend möglich ist. Diese Reibungsverluste wirken sich negativ auf den Wirkungsgrad des Kältemittelverdichters aus.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Kältemittelverdichters zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kaltemittelverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass innerhalb der hohlen Welle ein Axiallager für die Welle angeordnet ist.
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Dieses Axiallager dient dazu, axiale Kräfte, die auf den Rotor bzw. auf die Welle wirken, aufzunehmen und die Welle mit dem Rotor bezüglich ihrer axialen Lage zu positionieren. Durch die Anordnung des Axiallagers innerhalb der hohlen Welle wird dafür gesorgt, dass das Axiallager innerhalb des Öltransportpfades angeordnet ist und daher immer einer ausreichenden Ölschmierung ausgesetzt ist. Dementsprechend treten innerhalb des Axiallagers nur geringe Reibungsverluste auf. Zur Aufnahme radialer Kräfte ist in der Regel ein zusätzliches Radiallager vorgesehen, das aber reibungsärmer als beim Stand der Technik ausgebildet sein kann, da es keine axialen Krafte aufnehmen muss. Insgesamt wird also eine reibungsärmere Lagerung der Welle mit dem Rotor im Kaltemittelverdichter erhalten, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kältemittelverdichters verbessert. Durch die Anordnung des Axiallagers im Inneren der Welle, also in einem Bereich, der relativ schnell nach Start des Kaltemittelverdichters mit Öl gefüllt wird, ist auch eine hohe Lebensdauer des Axiallagers zu erwarten.
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Vorzugsweise weist das Axiallager eine Kontaktfläche auf, die an einem stirnseitigen Ende des Verdrangerelements angeordnet ist. Dieses Ende ist das obere Ende des Verdrängerelements, das bei betriebsbereiter Anordnung des Kältemittelverdichters vertikal oben liegt. Durch die Anordnung der Kontaktfläche am oberen Ende des Verdrängerelements lässt sich das Axiallager relativ einfach herstellen.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Kontaktfläche im Bereich einer Rotationsachse der Welle liegt. Relativgeschwindigkeiten zwischen der Kontaktfläche und einer Gegenkontaktfläche des Axiallagers werden dadurch gering gehalten. Dies wirkt sich günstig auf die Lebensdauer des Axiallagers aus und führt zu einer Verringerung von Reibungsverlusten.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Kontaktfläche im Wesentlichen punktförmig ausgebildet ist. Die Kontaktfläche wird also zum Beispiel durch eine runde, spitze oder anderweitig kegelige Oberfläche gebildet. Die Große der Kontaktfläche wird dadurch minimal, so dass auch Reibungsverluste minimiert werden. Die Kontaktfläche kann dabei eine Metalloberfläche aufweisen. Beispielsweise ist die Kontaktfläche durch eine Metallspitze gebildet.
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Vorteilhafterweise ist die Kontaktfläche durch eine Kugel gebildet, die an dem Ende des Verdrängerelements angeordnet ist, wobei die Kugel insbesondere formschlüssig an dem Verdrängerelement gehalten ist. Die Kugel kann dabei derartig an dem Verdrängerelement gehalten sein, dass eine Rotationsbewegung der Kugel zugelassen ist. Durch die Kugel wird eine punktformige Anlage bzw. eine punktformige Ausbildung der Kontaktfläche gewährleistet. Die Kugel kann dabei aus einem gehärteten Metall oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein, wobei die Kugel insbesondere ein Material aufweisen kann, das unterschiedlich zu dem Material des Verdrängungselements ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Kontaktfläche einstückig mit dem Verdrängerelement ausgebildet, wobei das Verdrängerelement gegebenenfalls im Bereich der Kontaktfläche gehärtet ist. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche das gleiche Material aufweist wie das ubrige Verdrängerelement. Bei einem metallischen Material kann dabei eine Härtung im Bereich der Kontaktfläche durchgeführt werden. Die Kontaktfläche ist also sozusagen in das Verdrangerelement integriert, wodurch sich eine einfache Herstellung ergibt.
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Vorzugsweise ist das Verdrängerelement aus einem Blechteil hergestellt, das insbesondere tief gezogen ist. Dadurch lässt sich das Verdrängerelement mit geringen Formfehlern und Durchmessertoleranzen herstellen, was insbesondere noch dadurch verbessert werden kann, wenn ein geschliffenes Blechteil verwendet wird. Ein radialer Spalt zwischen Verdrängerelement und Welle lässt sich dadurch sehr genau einstellen, wodurch die Pumpwirkung zwischen Verdrängerelement und Welle verbessert wird, was zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Kältemittelverdichters führt und die Zuverlässigkeit der Schmierung durch das Öl erhöht.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist das Verdrängerelement Kunststoff auf und ist insbesondere als Kunststoffspritzteil hergestellt. Durch eine derartige Ausgestaltung lässt sich das Verdrangerelement relativ kostengunstig in der gewünschten Form herstellen.
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Vorzugsweise ist das Verdrängerelement mit einer Haltevorrichtung an einem feststehenden Teil des Verdichters befestigt, die insbesondere als Drahtbügel ausgebildet ist. Das Verdrängerelement ist also nicht direkt an einem feststehenden Teil des Verdichters angeordnet, sondern indirekt über eine Haltevorrichtung. Die Haltevorrichtung ermöglicht dabei eine gewisse Elastizität der Verbindung, so dass Belastungen, die beispielsweise bei axialen Stößen auftreten können, gedämpft werden können. Die Ausbildung der Haltevorrichtung als Drahtbugel stellt dabei eine besonders einfache Ausführung dar, die kostengünstig herstellbar ist.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Haltevorrichtung an einem unteren Ende des Verdrängerelements angreift und eine Gewichtskraft von Verdrängerelement und Rotor aufnimmt. Axiale Kräfte werden von dem Verdrängerelement auf die Haltevorrichtung, also formschlüssig, übertragen. Durch die Haltevorrichtung ist dabei gewährleistet, dass in axialer Richtung kein direkter Kontakt zwischen der Welle mit dem Rotor und einem feststehenden Teil des Verdichters, wie beispielsweise einem Verdichterblock oder einem Radiallagerelement, auftreten kann.
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Vorteilhafterweise ist der Öltransportpfad durch eine Spiralfeder vorgegeben, die zwischen Verdrängerelement und Welle angeordnet ist, wobei die Spiralfeder an einer Innenseite der Welle oder an einer Außenseite des Verdrängerelements anliegt. Durch die Verwendung einer Spiralfeder wird die Geometrie der Welle und des Verdrängerelements relativ einfach gehalten, so dass diese kostengünstig hergestellt werden können. Gleichzeitig wird ein spiralförmiger Öltransportpfad erhalten, der eine effektive Förderung des Öles gewährleistet. Die Spiralfeder kann dabei einfach kraftschlüssig an der Innenseite der Welle oder der Außenseite des Verdrängungselements gehalten sein. Auch dies begünstigt eine kostengünstige Fertigung.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Öltransportpfad durch eine Nut gebildet, die in einer Innenseite der Welle oder einer Außenseite des Verdrangerelements eingeformt ist. Insbesondere bei der Ausbildung des Verdrängerelements als Kunststoffspritzteil lasst sich eine derartige Nut einfach in das Verdrangerelement integrieren. Die Anzahl der Bauteile des Kältemittelverdichters wird dadurch gering gehalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines Kältemittelverdichters,
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2 eine Detaildarstellung eines Verdrängerelements,
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3 eine Vergrößerung eines Axiallagers,
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4 eine Detaildarstellung des Öltransportpfades einer ersten Ausfuhrungsform und
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5 eine Detaildarstellung des Öltransportpfades einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist ein Kältemittelverdichter 1 in geschnittener Darstellung gezeigt, der einen elektrischen Motor mit einem Rotor 2 und einem Stator 3 aufweist. Der Rotor 2 weist Permanentmagnete 4 und einen Rückschlussring 5 auf und ist über ein Basiselement 6 mit einer Welle 7 drehfest verbunden. Der Rotor 2 ist als Außenläufer ausgebildet, der um den zentral angeordneten Stator 3 rotiert.
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Der Stator 3 weist ein Statorblechpaket 8 und Statorwicklungen 9 auf.
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Innerhalb der Welle 7 ist ein Verdrängerelement 10 angeordnet, das hohlzylindrisch ausgebildet ist und radial symmetrisch zur Welle 7 angeordnet ist.
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Der Kältemittelverdichter 1 weist ferner einen Verdichterblock 11 und eine Kolben-Zylinder-Einheit 12 auf, die einen Kolben 13 und einen Zylinder 14 aufweist. Die Kolben-Zylinder-Einheit 12 ist über eine Pleuelstange 15 an einem Kurbelzapfen 16 angeschlossen, der exzentrisch an einem Übergangsteil 17 angeordnet ist, das drehfest mit der Welle 7 verbunden ist.
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Das Übergangsteil 17 schließt dabei eine obere, offene Stirnseite der Welle 7. Innerhalb der Welle 7 ist ein Axiallager 18 angeordnet, das an einem oberen Ende 19 des Verdrängerelements 10 ausgebildet ist. Eine Kontaktflache 20 des Axiallagers 18 wird durch eine Kugel 21 gebildet, die am oberen Ende 19 formschlüssig am Verdrangerelement 10 angeordnet ist. Eine Gegenkontaktfläche 22 ist im Übergangsteil 17 ausgebildet. Zwischen der Gegenkontaktfläche 22 und der Kontaktfläche 20 erfolgt eine Punktberuhrung. Diese befindet sich dabei im Bereich einer Rotationsachse 23 der Welle 7.
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Die Welle 7 ist zusätzlich in einem Radiallager 24 radial gelagert, das mit den Statorwicklungen 9 verbunden ist.
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Das Verdrängerelement 10 ist über eine Haltevorrichtung 25 mit einem nicht dargestellten, stillstehenden Teil des Kältemittelverdichters 1 verbunden, so dass das Verdrangerelement 10 stationär gehalten ist und insbesondere keine Rotationsbewegung durchführt. Zwischen dem Verdrängerelement 10 und der Welle 7 ist ein spiralformiger Öltransportpfad 26 ausgebildet, der durch Nuten gebildet ist, die in eine Außenseite 27 des Verdrangerelements 10 eingeformt sind. Eine Innenseite 28 der Welle 7 ist glatt ausgebildet.
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Ein stirnseitiges Ende 29 der Welle 7 und ein unteres Ende 30 des Verdrängerelements 10 erstrecken sich axial soweit nach unten, dass sie in einen nicht dargestellten Ölsumpf eintauchen. Bei Betrieb des Kältemittelverdichters 1 rotiert der Rotor 2 um den Stator 3. Dadurch erfolgt auch eine Rotationsbewegung der Welle 7 gegenuber dem Verdrängerelement 10. Durch die Rotation der Welle 7 wird Öl aus dem Ölsumpf durch den Öltransportpfad 26 nach oben gefördert. Das Verdrängerelement 10 bildet mit der Welle 7 also eine Ölpumpe. In der Welle 7 sind Radialöffnungen 31 vorgesehen, die Öl zur Schmierung des Radiallagers 24 austreten lassen. Nach oben setzt sich der Öltransportpfad 26 vom oberen Ende 19 des Verdrängerelements 10 durch eine Öffnung 32 im Übergangsteil 17 fort. Das Öl wird von dort zur Schmierung der Lager der Pleuelstange 15 mit dem Kurbelzapfen 16 und dem Kolben 13 geliefert.
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Das Axiallager 18 befindet sich dabei innerhalb des Öltransportpfades 26 und wird daher auch bei geringen Geschwindigkeiten immer ausreichend mit Öl geschmiert. Über das Axiallager 18 trägt das Verdrängerelement 10 die Welle 7 und damit den Rotor 2 und positioniert dabei diese Elemente in axialer Richtung. Das Radiallager 24 muss keine axialen Kräfte aufnehmen.
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In axialer Richtung ist der Rotor 2 also nur durch den punktförmigen Bereich zwischen der Kontaktfläche 20 und der Gegenkontaktfläche 22 gehalten. Die entsprechende Oberflache der Kugel 21 und die Gegenkontaktfläche 22 sind dabei gehärtet, so dass allenfalls nur geringer Verschleiß zu erwarten ist. Da sich die Kontaktfläche 20 und die Gegenkontaktflache 22 auf der Rotationsachse 23 befinden, ist die Relativgeschwindigkeit ziemlich gering. Reibungsverluste werden dabei durch die Anordnung des Axiallagers 18 im Öltransportpfad 26 minimiert, da dadurch immer eine ausreichende Schmierung gewährleistet ist. Insgesamt ergibt sich damit ein geringer Energieverbrauch und damit ein hoher Wirkungsgrad des Kaltemittelverdichters 1, der gleichzeitig eine erhöhte Lebensdauer aufweist.
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In 2 ist das Verdrängerelement 10 in räumlicher Darstellung gezeigt. Das Verdrängerelement 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Kunststoffspritzteil hergestellt und weist eine eingeformte Nut 33 auf, die spiralförmig entlang der Außenseite 27 des Verdrängerelements 10 geführt ist und den Öltransportpfad 26 bildet. Das Verdrängerelement 10 ist dabei hohlzylindrisch ausgebildet. Am oberen Ende 19 ist das Verdrängerelement 10 geschlossen und mit einem zentralen, axial vorstehenden Vorsprung 34 versehen, der eine radiale Umfangswand 35 aufweist, die mindestens durch einen Schlitz 36 unterbrochen ist. Der Vorsprung 34 dient zur Aufnahme der Kugel 21, die unter elastischer Aufweitung der Umfangswand 35 formschlüssig innerhalb des Vorsprungs 34 aufgenommen werden kann.
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Das untere Ende 30 des Verdrängerelements 10 ist offen ausgebildet und weist zwei axial abstehende Vorsprünge 37, 38 auf, die zur Anlage der Halterungsvorrichtung 25 und als Verdrehsicherung dienen.
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In 3 ist das obere Ende 19 des Verdrängerelements 10 mit dem Vorsprung 34 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Kugel 21 ist innerhalb eines Raumes aufgenommen, der von der Umfangswand 35 umgrenzt ist. Axial steht die Kugel 21 dabei noch etwas über die Umfangswand 35 hervor, so dass sichergestellt ist, dass die Kontaktfläche 20 alleine durch die Kugel 21 gebildet ist. Die Kugel 21 ragt dabei nur mit einem kleinen Teil ihrer Oberfläche über eine Oberkante der Umfangswand 35 hinaus und ist im Übrigen relativ fest eingespannt.
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Ein Boden des von der Umfangswand 35 umgebenen Raumes weist eine Öffnung 39 auf, durch die dieser Raum mit einem Innenraum 40 des hohl ausgebildeten Verdrängerelements 10 in Verbindung steht. Durch diese Öffnung 39 und den Schlitz 36 in der Umfangswand 35 kann Gas aus dem Inneren 40 des Verdrangerelements 10 austreten und nach oben abgefuhrt werden.
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In 4 ist das Verdrängerelement 10 mit der Welle 7, die zusammen eine Ölpumpe bilden, in einer vergrößerten Darstellung abgebildet. Das Verdrängerelement 10 ist hier als tief gezogenes Blechteil mit einer einstückig ausgebildeten Spitze 41 am oberen Ende 19 ausgebildet. Die Spitze 41 bildet dabei die Kontaktfläche 20. Die Außenseite 27 des Verdrängerelements 10 ist glatt ausgebildet, weil der Öltransportpfad 26 mithilfe einer Spiralfeder 42 gebildet wird, die die glatte Außenseite 27 des Verdrängerelements 10 umgibt. Die Spiralfeder 42 klemmt dabei mit ihren radialen Innenseiten auf der Außenfläche 27, während zwischen Außenseiten der Spiralfeder 42 und der Innenseite 28 der Welle 7 ein geringer Spalt besteht, so dass die Welle 7 ungehindert um die Spiralfeder 42 und das Verdrangerelement 10 rotieren kann.
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In 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemaß 4 entspricht. Allerdings liegen hier Außenseiten der Spiralfeder 42 an der Innenseite 28 der Welle 7 an, so dass die Spiralfeder 42 mit der Welle 7 verklemmt ist und zusammen mit dieser rotiert. Das Verdrängerelement 10 ist durch ein einfaches Blechteil mit einer glatten Außenseite 27 hergestellt, das geschliffen und zumindest im Bereich der Spitze 41 gehärtet ist.
