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Die Erfindung betrifft einen Kältemittelscrollverdichter für Kraftfahrzeugklimaanlagen und dabei insbesondere eine Ausgestaltung mit effizienter Ölrückführung innerhalb des Kältemittelkreislaufes bei optimaler Regelung des Mitteldruckniveaus.
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Der Einsatz von Kältemittelscrollverdichtern in Kraftfahrzeugklimaanlagen ist sehr wünschenswert, da dieser Verdichtertyp konstruktiv robust ausgebildet ist und auch kosteneffizient gefertigt und eingesetzt werden kann. Weiterhin sind Scrollverdichter radial nach innen wirkend, wodurch sich eine relativ kurze axiale Baulänge für den Verdichter ergibt. Damit kann ein elektrischer Kältemittelverdichter bauraumneutral gegenüber einem mechanischen Kältemittelverdichter ausgeführt werden.
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Das Verdichtungsprinzip eines Scrollverdichters besteht darin, dass eine Rotorspirale in einer Statorspirale derart oszillierend bewegt wird, dass sich zwischen den Spiralflanken ein Raum bildet, der vom äußeren radialen Umfang her zur Mitte hin kleiner wird und damit das am Umfang aufgenommene Kältemittelgas verdichtet. Der Verdichtungsenddruck wird in einem axialen Bereich der Spiralen erreicht und das Kältemittelgas bei Hochdruck axial abgegeben. Dabei ist es wichtig, dass die Rotorspirale und die Statorspirale an ihren axial aufeinander liegenden Seiten abgedichtet sind, um eine radiale Querströmung des Kältemittelgases weitgehend zu unterbinden. Aus diesem Grund werden Kältemittelscrollverdichterkonstruktionsprinzipien angewandt, die über die Ausbildung einer Mitteldruckkammer Kältemittelgas auf die Rotorspirale wirken lassen, sodass eine resultierende Kraft in axialer Richtung entsteht, wodurch die Rotorspirale gegen die Statorspirale gedrückt und damit die Spiralen zueinander abgedichtet werden.
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Weiterhin besteht ein bekanntes Problem bei Kältemittelscrollverdichtern darin, die Ölrückführung prozesssicher auszugestalten und dabei gleichzeitig über eine Regelung des Zwischendruckes eine ausreichende Dichtkraft in Bezug auf die Rotorspirale aufzubringen.
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Aus der
US 2009/0191081 A1 ist ein Scrollkompressor mit verbesserter Ölzirkulation und Mitteldruckkontrolle bekannt. Dabei ist ein Scrollkompressor offenbart, der eine Ölrückführung über die Mitteldruckkammer zur Saugseite des Kompressors hin realisiert. Nachteilig an dieser Ausgestaltung nach dem Stand der Technik ist allerdings, dass die Ölrückführung und der Mitteldruck schlecht regulierbar sind.
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Aus der
EP 2 369 182 A1 geht ein Scrollverdichter hervor, der gleichfalls eine Gegendruckkammer aufweist und der darüber hinaus eine Ölansaugbohrung sowie eine umlaufende Platte mit einem Spalt und eine zusätzliche Kavität in dem Schaft des Kompressors aufweist, wodurch eine Ölpassage aus der Hochdruckkammer bis zur Gegendruckkammer bei Mitteldruck in technisch aufwändiger Weise realisiert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kältemittelscrollverdichter für Fahrzeugklimaanlagen zur Verfügung zu stellen, der eine stabile Ölrückführung sicherstellt und darüber hinaus eine gute Regelbarkeit der Dichtkraft für die Abdichtung von Statorspirale zur Rotorspirale ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch einen Kältemittelscrollverdichter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, 6 oder 11 gelöst. Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Kältemittelscrollverdichter für Kraftfahrzeugklimaanlagen gelöst, welcher eine Statorspirale und eine sich relativ zu dieser oszillierend bewegende Rotorspirale aufweist und der darüber hinaus eine Mitteldruckkammer zur Erzeugung der axialen Kraft zur Dichtung der Spiralen gegeneinander besitzt. Der Kältemittelscrollverdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ölrückführung vom Hochdruckstrang des Kältemittelkreislaufes zum Saugraum des Kältemittelscrollverdichters ausgebildet ist. Zusätzlich ist ein Mitteldruckkanal angeordnet, über den Kältemittelgas aus dem Verdichtungsprozess zwischen den Spiralen direkt in die Mitteldruckkammer gelangt. Die Mitteldruckkammer wird somit direkt aus den sich zwischen den Spiralen bildenden Verdichtungskammern mit Kältemittelgas beaufschlagt, wobei sich der Druck in der Mitteldruckkammer als ein mittlerer Druck in den betreffenden Bereichen der Verdichtungskammern der Spiralen einstellt, da der Druck in der Verdichtungskammer zwischen den Spiralen sich prinzipgemäß in Abhängigkeit der Relativbewegung der Spiralen zueinander ändert. Es wird somit ein Mitteldruckbereich überstrichen, aus dem Kältemittelgas in die Mitteldruckkammer strömt und sich in der Mitteldruckkammer ein resultierender Mitteldruck einstellt.
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Ein erster erfindungsgemäßer Kältemittelscrollverdichter für Kraftfahrzeugklimaanlagen umfasst eine Statorspirale; eine Rotorspirale, welche mit der Statorspirale in Eingriff steht, wobei die Statorspirale und die Rotorspirale zusammenwirken, so dass ein Kältemittelgas verdichtet wird, eine Mitteldruckkammer , welche benachbart zur Rotorspirale angeordnet ist; zumindest ein Dichtungsmittel, um die Rotorspirale an der Seite der Mitteldruckkammer gegenüber einem feststehenden Gehäuse abzudichten, wobei das Dichtungsmittel einen Dichtungsring, welcher zumindest teilweise von der Seite der Mitteldruckkammer vorsteht, und einen O-Ring umfasst; und zumindest einen Mitteldruckkanal, welcher in der Rotorspirale ausgebildet ist und mit der Mitteldruckkammer in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rotorspirale eine ringförmige Nut ausgebildet ist und der O-Ring und der Dichtungsring innerhalb der Nut angeordnet sind und dass der O-Ring dicker als der Dichtungsring ist, wobei der O-Ring
- - oberhalb des Dichtungsrings liegt und
- - mit dem Dichtungsring in Eingriff steht.
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Ein zweiter erfindungsgemäßer Kältemittelscrollverdichter für Kraftfahrzeugklimaanlagen umfasst ein Gehäuse mit einem feststehenden Teil; eine Statorspirale, welche in dem Gehäuse angeordnet und mit dem Gehäuse verbunden ist; eine Rotorspirale (2), welche gegenüber der Statorspirale rotiert, wobei die Statorspirale und die Rotorspirale zusammenwirken, um Gas zu verdichten, und die Rotorspirale eine Dichtungsseite aufweist, welche dem feststehenden Teil des Gehäuses zugewandt ist; eine Mitteldruckkammer, welche zwischen dem feststehenden Teil und der Rotorspirale ausgebildet ist; zumindest ein Dichtungsmittel, welches zwischen der Rotorspirale und dem feststehenden Teil angeordnet ist, wobei das Dichtungsmittel in eine Nut eingesetzt ist, welche an der Dichtungsseite der Rotorspirale ausgebildet ist, und einen Dichtungsring, welcher zumindest teilweise von der Nut vorsteht, und einen O-Ring umfasst, wobei der O-Ring dicker als der Dichtungsring ist und wobei der O-Ring
- - oberhalb des Dichtungsrings liegt und
- - mit dem Dichtungsring in Eingriff steht.
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Ein dritter erfindungsgemäßer Kältemittelscrollverdichter für Kraftfahrzeugklimaanlagen umfasst ein erstes Gehäuse mit einer Hochdruckkammer; ein zweites Gehäuse mit einem feststehenden Teil; eine Statorspirale, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuse angeordnet ist, wobei das erste Gehäuse, das zweite Gehäuse und die Statorspirale ausgelegt sind, mit ihren Außenseiten miteinander fluchtend verbunden zu werden;eine Rotorspirale, welche gegenüber der Statorspirale rotiert, wobei die Statorspirale und die Rotorspirale zusammenwirken, um Gas zu verdichten und die Rotorspirale eine Dichtungsseite aufweist, welche dem feststehenden Teil des zweiten Gehäuses zugewandt ist; eine Mitteldruckkammer, welche zwischen dem feststehenden Teil und der Rotorspirale ausgebildet ist; und zumindest ein Dichtungsmittel, welches zwischen der Rotorspirale und der Statorspirale angeordnet ist, wobei das Dichtungsmittel in eine Nut eingesetzt ist, welche an der Dichtungsseite der Rotorspirale ausgebildet ist, und einen Dichtungsring umfasst, welcher zumindest teilweise von der Nut und einem O-Ring vorsteht, wobei der O-Ring dicker als der Dichtungsring ist, wobei der O-Ring
- - oberhalb des Dichtungsrings liegt und
- - mit dem Dichtungsring in Eingriff steht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Ölrückführung vom Hochdruckstrang des Kältemittelkreislaufes mittels Ölrückführkanal zur Mitteldruckkammer und Ölabsaugkanal von der Mitteldruckkammer zum Saugraum des Kältemittelscrollverdichters ausgebildet ist. In der Mitteldruckkammer mischt sich der Kältemittelgasstrom, der direkt aus der Verdichtungskammer zwischen den Spiralen in die Mitteldruckkammer einströmt mit dem Kältemittelöl bei einem resultierenden Mitteldruck, wonach das Kältemittel-Öl-Gemisch über den Ölabsaugkanal zum Saugraum strömt.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Mitteldruckkanal in der Rotorspirale angeordnet und darüber hinaus bevorzugt am Boden der Rotorspirale ausgebildet.
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Es hat sich gezeigt, dass der Mitteldruckkanal besonders kosteneffizient als Mitteldruckbohrung ausgeführt werden kann.
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Alternativ zur Ausbildung des Mitteldruckkanals in der Rotorspirale kann der Mitteldruckkanal auch in der Statorspirale angeordnet sein, wobei der Mitteldruckkanal dann um die Rotorspirale herum zur Mitteldruckkammer geführt werden muss.
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Besonders bevorzugt ist der Mitteldruckkanal derart in der Spirale angeordnet, dass sich der Mitteldruckkanal während der Verdichtung kurzzeitig im Bereich des Verdichtungshochdruckes befindet. Damit wird erreicht, dass der sich einstellende Mitteldruck wesentlich vom anliegenden Saugdruck aber auch vom anliegenden Hochdruck bestimmt wird. Da die vom Hochdruck belastete Fläche im Scroll innen liegt und somit kleiner ist, wird dieses dadurch entsprechend reflektiert. Im Ergebnis stellt sich im Mittel jedoch in der Mitteldruckkammer ein Mitteldruck ein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist im Ölrückführkanal ein erstes Expansionsorgan und im Ölabsaugkanal ein zweites Expansionsorgan zur Drosselung des Öls vom Hochdruck auf den Saugdruck angeordnet.
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Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis der Querschnitte von Mitteldruckkanal zum ersten Expansionsorgan innerhalb des Ölrückführkanals zur Mitteldruckkammer zwischen 5 und 20.
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Es hat sich gezeigt, dass das Verhältnis der Querschnitte von Mitteldruckkanal zum ersten Expansionsorgan besonders bevorzugt 10 ist.
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Der verhältnismäßig große Strömungsquerschnitt für das Kältemittelgas im Vergleich zum Strömungsquerschnitt für die Ölrückführung führt zu einer guten Regelbarkeit der sich einstellenden Dichtkraft, welche damit im Wesentlichen unabhängig von der Ölrückführung funktioniert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird realisiert, indem ein Mitteldruckkanal in jeder der Kammern des Scrollverdichters in funktionsgleichen Bereichen bei gleichem Druckniveau ausgebildet ist. Dadurch kann die Funktionssicherheit des Verdichters erhöht werden, da bei Ausfall eines Mitteldruckkanals durch Verstopfung oder dergleichen eine Schmierung durch den zweiten Kanal noch erfolgt. Bei normalem ungestörtem Betrieb werden die gleichen Schmiereigenschaften für beide Spiralen erreicht. Insgesamt verbessert sich somit durch die Redundanz die Schmierung der Spiralen.
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Mit der konzeptionsgemäßen Umsetzung der Erfindung lässt sich der Nachteil des Standes der Technik, die ungenaue und schwierige Regelung und Steuerung des Mitteldruckes durch ein Gemisch von Kältemittelöl und -gas über die Ölrückführung, durch das Vorsehen des Mitteldruckkanals auf konstruktiv einfache und wirkungsvolle Weise überwinden. Über den Mitteldruckkanal strömt fast ausschließlich Kältemittelgas und es kann ein stabiler Mitteldruck in der Mitteldruckkammer erreicht werden.
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Aus der Umsetzung des erfindungsgemäßen Prinzips der Trennung von Ölrückführung und Mitteldruckerzeugung durch separate Kältemittelgaszuführung zur Mitteldruckkammer ergeben sich diverse Vorteile. Insbesondere ist zu nennen, dass unabhängig beziehungsweise weniger abhängig vom Mitteldruck ein konstanter Ölrückfluss gewährleistet werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass der Mitteldruck zur Erzeugung der axialen Dichtkraft zwischen rotierender und stationärer Spirale gut kontrollier- und steuerbar ist.
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Der höhere Mitteldruck sorgt für eine stabile Dichtfunktion bei der Verdichtung des Kältemittelgases zwischen den Spiralen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: schematischer Querschnitt eines Kältemittelscrollverdichters,
- 2: Draufsicht auf eine Rotorspirale mit Mitteldruckkanal und
- 3: Ausführungsform eines Kältemittelscrollverdichters im Querschnitt in der Seitenansicht.
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In 1 ist ein Kältemittelscrollverdichter stark schematisiert im Querschnitt dargestellt. Dabei ist funktionsprinzipgemäß eine Rotorspirale 2 in einer Statorspirale 1 angeordnet. Die Rotorspirale 2 bewegt sich oszillierend in der Statorspirale 1 derart, dass zwischen den Spiralen 1, 2 radial von außen nach innen sich verkleinernde Kavitäten bilden, in welchen das Kältemittelgas von außen nach innen verdichtet wird und schließlich das verdichtete Kältemittelgas innen axial in die Hochdruckkammer abgegeben wird. In der 1 ist eine Mitteldruckkammer 3 unterhalb der Spiralen 1, 2 dargestellt, in welcher sich Kältemittelgas bei Mitteldruck befindet. Der sich in der Mitteldruckkammer einstellende Mitteldruck wirkt auf die Rotorspirale 2 und ist derart beschaffen, dass sich eine resultierende axiale Kraft aus den Kräften ergibt, die von der Mitteldruckkammer 3 auf die Rotorspirale 2 wirken und die Gegenkräfte, die zwischen der Rotorspirale 2 und der Statorspirale 1 entgegenwirken. Die Rotorspirale 2 wird durch die resultierende axiale Kraft in der Darstellung nach 1 von unten gegen die Statorspirale 1 gepresst. Auf der Seite der Mitteldruckkammer 3 wird die Rotorspirale 2 gegenüber dem feststehenden Gehäuse druch eine Dichtung 7 gedichtet.
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In der Statorspirale 1 und dem nicht näher bezeichneten Gehäuse ist ein Ölrückführkanal 4 ausgeführt, über welchen das Öl aus dem Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes in einem ersten Expansionsorgan 5 gedrosselt in die Mitteldruckkammer 3 gelangt. Aus der Mitteldruckkammer 3 gelangt das Öl über einen Ölabsaugkanal 6 mit einem zweiten Expansionsorgan 9 zur Saugseite, beziehungsweise zur Ansaugkammer, des Verdichters.
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Die Rotorspirale 2 ist an ihrer dem Gehäuse zugewandten Seite über eine Dichtung und einen O-Ring gelagert und gedichtet.
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Funktionsentscheidend für das erfindungsgemäße Prinzip ist das zusätzliche Vorsehen eines Mitteldruckkanals 8, welcher dazu führt, dass Kältemittelgas aus den sich zwischen den Spiralen bildenden Kavitäten direkt in die Mitteldruckkammer 3 gelangt und sich ein Mitteldruck einstellt. In der dargestellten Ausgestaltung gemäß 1 ist der Mitteldruckkanal 8 den Boden der Rotorspirale 2 durchdringend als Bohrung ausgeführt, welche einen inneren Bereich zwischen den Spiralen 1, 2 direkt mit der Mitteldruckkammer 3 verbindet.
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Die schematisch dargestellten Expansionsorgane 5, 9 sind bevorzugt als Drosselblenden kostengünstig ausgeführt.
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Mit der dargestellten Ausführung kann das erfindungsgemäße Prinzip der Trennung der Ölströmung von der Kältemittelgasströmung innerhalb des Verdichtungsprozesses realisiert werden. Der Ölrückführkanal 4 und der Ölabsaugkanal 6 sind damit funktionsgemäß nur noch für die Ölrückführung zuständig, wohingegen das Kältemittelgas über den Mitteldruckkanal 8 in die Mitteldruckkammer 3 zur Erzeugung des axialen Dichtdruckes gelangt. Über die Entkoppelung von Ölrückführung und Gasströmung für die Mitteldruckkammer 3 sind die Prozesse sehr viel wirkungsvoller steuerbar.
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In 2 ist eine Rotorspirale 2 und eine im Boden der Spirale angedeuteter Mitteldruckkanal 8 als Mitteldruckbohrung dargestellt.
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Mit dem modifizierten Kältemittelscrollverdichter sind Mitteldrücke bei einem Druckverhältnis von Niederdruck zu Hochdruck von 3 zu 15 von 5,9 bis 7,6 bar erreichbar. Bei einem Druckverhältnis von 3 zu 25 bar steigt der Mitteldruck auf 6,8 bis 8,6 bar an, in Abhängigkeit von der Positionierung des Mitteldruckkanals 8 und der Drehzahl.
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Der Mitteldruckkanal 8 hat besonders bevorzugt einen zehnfach größeren Querschnitt als das erste Expansionsorgan 5. Auf diese Weise kann der Druck in der Mitteldruckkammer 3 hervorragend durch das Kältemittelgas gesteuert werden. Je näher der Mitteldruckkanal 8 zum inneren Gebiet der Spirale hin ausgebildet ist, je größer ist der Einfluss bei verschiedenen Verdichtungsenddrücken.
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Die Druckdifferenz zwischen Hochdruckausgang und Mitteldruck führt zur Förderung des Öles durch das erste Expansionsorgan 5 in die Mitteldruckkammer 3, welche dadurch gefüllt wird. Die Druckdifferenz zwischen der Mitteldruckkammer 3 und dem Ansaugbereich des Kältemittelverdichters fördert das Öl durch den Ölabsaugkanal 6 und das zweite Expansionsorgan 9 hindurch. In der Mitteldruckkammer verbleibendes Öl fließt durch den Mitteldruckkanal 8 zurück in das Spiralpaket 1, 2 und sorgt für eine Schmierung desselben.
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In 3 ist eine über das prinziphafte hinausgehende konstruktive Ausgestaltung eines Kältemittelscrollverdichters dargestellt. Das Kältemittel-Öl-Gemisch aus der Hochdruckkammer 10 des Kältemittelscrollverdichters wird im Ölabscheider 11 separiert und das flüssige Öl gelangt über eine Verbindungsleitung 12 in den Ölrückführkanal 4. Vor dem Eintritt des Öles in den Ölrückführkanal 4 ist ein erstes Expansionsorgan 5, als Drosselblende ausgeführt, angeordnet. Das Kältemittelöl wird darüber entspannt und gelangt in die Mitteldruckkammer 3.
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Parallel zum Ölfluss aus der Hochdruckkammer 10 des Kältemittelscrollverdichters gelangt Kältemittelgas aus dem Verdichtungsprozess aus der sich zwischen der Statorspirale 1 und der Rotorspirale 2 bildenden Verdichtungskammer 13 über den Mitteldruckkanal 8 in die Mitteldruckkammer 3. In der Mitteldruckkammer 3 stellt sich ein Mitteldruck des Kältemittelgas-Öl-Gemischs ein.
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In bestimmten Betriebssituationen kommt es zu einem erwünschten Rückströmen des Kältemittelöles aus der Mitteldruckkammer 3 in die Verdichtungskammer 13, wodurch eine verbesserte Schmierung der Spiralen 1, 2 erreicht wird.
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Das Kältemittelgas-Öl-Gemisch verlässt die Mitteldruckkammer 3 über das zweite Expansionsorgan 9, wiederum im Ausführungsbeispiel als Drosselblende ausgestaltet, und wird über den Ölabsaugkanal 6 abgeleitet.
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Eine alternative nicht dargestellte Ausführungsform besteht darin, dass der Ölrückführkanal 4 ohne Verbindung zur Mitteldruckkammer 3 direkt zur Saugseite des Verdichters hin ausgeführt wird.
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Weiterhin führt diese Konstruktionsform im Vergleich zu Konstruktionen nach dem Stand der Technik zu einer reduzierten Anzahl von Teilen und es sind Standardkomponenten kostengünstig einsetzbar.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- 1
- Statorspirale
- 2
- Rotorspirale
- 3
- Mitteldruckkammer
- 4
- Ölrückführkanal
- 5
- erstes Expansionsorgan, Drosselblende
- 6
- Ölabsaugkanal
- 7
- Dichtung
- 8
- Mitteldruckkanal
- 9
- zweites Expansionsorgan, Drosselblende
- 10
- Hochdruckkammer
- 11
- Ölabscheider
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Verdichtungskammer
