DE102013021250A1

DE102013021250A1 - Scroll-Maschine und ein Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102013021250A1
Application number: DE102013021250.2A
Authority: DE
Inventors: Roland Dold; Christian Gürlich; Frank Obrist
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 2013-12-14
Filing date: 2013-12-14
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Scroll-Maschine (1), umfassend eine stationäre Statorscheibe (3) mit einer Statorspirale (4) und eine gegenüber der Statorscheibe (3) orbitierend bewegliche Exzenterscheibe (5) mit einer Exzenterspirale (6), die mit der Statorspirale (4) zur Bildung einer Druckkammer (7) für das Fluid zwischen der Statorscheibe (3) und der Exzenterscheibe (5) verschachtelt ist, wobei ein Hochdruckanschluss (8) zur Zuleitung und/oder Ableitung eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer (7) und ein Niederdruckanschluss (9) zur Ableitung und/oder Zuleitung des Fluids aus der Druckkammer (7) vorgesehen sind, wobei zum Abdichten der Druckkammer (7) eine Gegendruckkammer (12) vorgesehen ist, die mit dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Hochdruckanschluss (8) beaufschlagbar ist und durch die die Exzenterscheibe (5) in Richtung der Statorscheibe (3) mit einer Anpresskraft beaufschlagbar ist, wobei ein Regelelement (16) zwischen der Gegendruckkammer (12) und dem Niederdruckanschluss (9) vorgesehen ist, um einen Druck (PBack) in der Gegendruckkammer (12) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) zu regeln, wobei das Regelelement (16) so ausgebildet ist, dass der Druck (PBack) in der Gegendruckkammer (12) sich zumindest abschnittsweise nichtlinear im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) ändert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb der Scroll-Maschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Scroll-Maschine und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Scroll-Maschinen sind Fluidenergiemaschinen, in denen mechanische Arbeit mit einem Fluid ausgetauscht wird, wobei eine Volumenänderung mit einer orbitierenden Bewegung einer meist spiralförmigen Komponente verknüpft ist.
Eine Scroll-Maschine kann als Scroll-Expander benutzt werden, wobei ein expandierendes Fluid die orbitierende Bewegung verursacht, die durch einen Exzenter in eine rotatorische Bewegung umgesetzt wird. Über diese rotatorische Bewegung wird eine Elektromaschine betrieben.
Eine Scroll-Maschine kann ebenso als Scroll-Kompressor benutzt werden, wobei eine Elektromaschine den Exzenter in eine rotatorische Bewegung versetzt, die dieser in eine orbitierende Bewegung umsetzt, durch die ein Fluid komprimiert wird. Durch Umkehr der Rotationsrichtung kann die Scroll-Maschine auch als Scroll-Pumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Scroll-Maschine und ein verbessertes Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Scroll-Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß umfasst eine Scroll-Maschine eine stationäre Statorscheibe mit einer Statorspirale und eine gegenüber der Statorscheibe orbitierend bewegliche Exzenterscheibe mit einer Exzenterspirale, die mit der Statorspirale zur Bildung einer Druckkammer für das Fluid zwischen der Statorscheibe und der Exzenterscheibe verschachtelt ist, wobei ein Hochdruckanschluss zur Zuleitung und/oder Ableitung eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer und ein Niederdruckanschluss zur Ableitung und/oder Zuleitung des Fluids aus der Druckkammer vorgesehen sind, wobei zum Abdichten der Druckkammer eine Gegendruckkammer vorgesehen ist, die mit dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Hochdruckanschluss beaufschlagbar ist (Backpressure) und durch die die Exzenterscheibe in Richtung der Statorscheibe mit einer Anpresskraft beaufschlagbar ist, wobei ein Regelelement zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss vorgesehen ist, um einen Druck in der Gegendruckkammer in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss zu regeln. Erfindungsgemäß ist das Regelelement so ausgebildet ist, dass der Druck in der Gegendruckkammer sich zumindest abschnittsweise nichtlinear im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss ändert.
Die Scroll-Maschine kann als Kompressor, als Vakuumpumpe oder als Expander zur Umwandlung mechanischer Energie aus einem in der Scroll-Maschine expandierenden, die Exzenterspirale antreibenden Fluid in elektrische Energie in einem durch die Exzenterspirale angetriebenen Generator (nicht gezeigt), beispielsweise in einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery), insbesondere Abgaswärmerückgewinnung (Exhaust Heat Recovery) aus einer Brennkraftmaschine, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. In diesem Fall wird als Fluid ein Arbeitsmittel aus einem über einen Wärmetauscher mittels Abgaswärme beheizten Arbeitsmittelkreislauf verwendet, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht. Die Scroll-Maschine ist dabei in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittel durchströmbar, wobei ein Expansionsverhältnis der Scroll-Maschine und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmitteln zur Scroll-Maschine veränderbar sein können bzw. kann.
Scroll-Maschinen, die für den Verdichterbetrieb vorgesehen sind, sind typischerweise mit einem Regelelement in Gestalt eines Ventils zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss versehen, welches den Druck in der Gegendruckkammer so steuert, dass sich ein linearer Zusammenhang (Verdichterkennlinie) zwischen Druck in der Gegendruckkammer und dem Druckgefälle zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss ergibt. Diese Verdichterkennlinie eignet sich nicht oder nur eingeschränkt für den Expansionsbetrieb, zum Beispiel bei relativ geringem Druck am Hochdruckanschluss und nahezu vollständiger Expansion des Fluids.
Bei relativ hohem Druck am Hochdruckanschluss findet im Expanderbetrieb keine vollständige Expansion des Fluids statt. Insbesondere in diesem Fall kann das Regelelement beispielsweise so ausgebildet sein, dass der Druck in der Gegendruckkammer sich zumindest abschnittsweise überproportional im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss ändert, so dass sich eine zumindest abschnittsweise oder vollständig progressive Kennlinie ergibt. Auf diese Weise wird auch bei hohem Druck und infolgedessen unvollständiger Expansion des Fluids die Dichtigkeit zwischen der Exzenterscheibe und der Statorscheibe bei niedrigen Reibungswerten und ohne Nutzung von speziellen Dichtungen (sogenannte tip seals) sichergestellt. Dies führt zu einer wartungsarmen und verschleißarmen Anordnung. Zudem wird der Wirkungsgrad der Scrollmaschine nicht oder nur wenig beeinträchtigt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Regelelement so ausgebildet, dass der Druck in der Gegendruckkammer sich zumindest abschnittsweise unterproportional im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss ändert, so dass sich eine zumindest abschnittsweise oder vollständig degressive Kennlinie ergibt. Eine solche Anordnung eignet sich beispielsweise zum Betrieb der Scroll-Maschine bei besonders niedrigen Drücken am Hochdruckanschluss.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Regelelement als ein Ventil ausgebildet, das einen Ventilkörper mit einem Ventilsitz umfasst, wobei ein Dichtkörper zum Verschließen des Ventilsitzes und ein Federelement zum Beaufschlagen des Dichtkörpers mit einer Dichtkraft zum Verschließen des Ventilsitzes vorgesehen sind. Das Ventil stellt eine besonders einfach realisierbare und kostengünstige Losung des Regelelements dar.
Der Dichtkörper kann beispielsweise als ein beweglicher Kolben oder als eine Kugel ausgebildet sein.
Zur Erzielung der nichtlinearen Kennlinie kann ein nichtlineares Federelement verwendet werden. Beispielsweise kann das Federelement als eine progressiv oder degressiv gewickelte Schraubenfeder oder als ein mehrstufiges Tellerfedernpaket oder als ein elastisches Elastomer ausgebildet sein.
Zur Erzielung der nichtlinearen Kennlinie kann alternativ oder zusätzlich ein Öffnungsquerschnitt des Ventils in Offenstellung des Ventils durch einen Hohlraum innerhalb des Ventilkörpers und den innerhalb des Hohlraums beweglichen Dichtkörper so definiert werden, dass der Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von einer Auslenkung des Dichtkörpers entgegen der Dichtkraft variiert. Beispielsweise kann der Hohlraum sich in Richtung der Auslenkung des Dichtkörpers entgegen der Dichtkraft verjüngend ausgebildet sein, so dass bei zunehmendem Druckgefälle und entsprechender Auslenkung des Dichtkörpers vom Ventilsitz weg entgegen der Dichtkraft der Öffnungsquerschnitt reduziert wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Regelelement ein steuerbares Ventil zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss und mindestens zwei Drucksensoren umfassen, wobei einer der Drucksensoren in der Gegendruckkammer angeordnet ist und mindestens ein weiterer der Drucksensoren zur Erfassung des Drucks am Niederdruckanschluss und/oder Hochdruckanschluss oder zur Erfassung der Druckdifferenz zwischen Niederdruckanschluss und Hochdruckanschluss angeordnet ist, wobei ein Steuergerät mit den Drucksensoren und dem steuerbaren Ventil verbunden und zur Steuerung und/oder Regelung des Ventils in Abhängigkeit von den mit den Sensoren erfassten Drücken ausgebildet ist. Ein so ausgebildetes Regelelement ist leicht an eine Betriebssituation der Scroll-Maschine anpassbar, beispielsweise um die Scroll-Maschine als Expander, Verdichter oder Pumpe bei variierenden Druckverhältnissen zu betreiben.
Insbesondere können Drucksensoren in der Gegendruckkammer, am Niederdruckanschluss und am Hochdruckanschluss vorgesehen sein.
Das steuerbare Ventil kann beispielsweise elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch gesteuert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann im Steuergerät mindestens eine Kennlinie und/oder ein Kennlinienfeld hinterlegt sein, mittels derer oder dessen das Ventil in Abhängigkeit von den mit den Sensoren erfassten Drücken steuerbar und/oder regelbar ist. Auf diese Weise ist der Druck in der Gegendruckkammer besonders einfach und automatisch an die äußeren Druckverhältnisse der Scroll-Maschine anpassbar.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Scroll-Maschine zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie wird das unter Druck stehende Fluid der Scroll-Maschine am Hochdruckanschluss zugeführt und aus der Scroll-Maschine am Niederdruckanschluss abgeführt, wobei zum Abdichten der Druckkammer eine Gegendruckkammer vorgesehen ist, die mit dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Hochdruckanschluss beaufschlagt wird, um die Exzenterscheibe in Richtung der Statorscheibe mit einer Anpresskraft zu beaufschlagen, wobei mittels des Regelelements zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss der Druck in der Gegendruckkammer in Abhängigkeit von der Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss zumindest abschnittsweise nichtlinear im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss gesteuert und/oder geregelt wird, beispielsweise so, dass der Druck in der Gegendruckkammer sich zumindest abschnittsweise überproportional im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss ändert, so dass sich eine zumindest abschnittsweise oder vollständig progressive Kennlinie ergibt. Auf diese Weise wird auch bei hohem Druck und infolgedessen unvollständiger Expansion des Fluids die Dichtigkeit zwischen der Exzenterscheibe und der Statorscheibe bei niedrigen Reibungswerten und ohne Nutzung von speziellen Dichtungen (sogenannte tip seals) sichergestellt. Dies führt zu einer wartungsarmen und verschleißarmen Anordnung. Zudem wird der Wirkungsgrad der Scrollmaschine nicht oder nur wenig beeinträchtigt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann mittels des Regelelements zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss der Druck in der Gegendruckkammer in Abhängigkeit von der Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss so gesteuert und/oder geregelt werden, dass der Druck in der Gegendruckkammer sich zumindest abschnittsweise unterproportional im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss ändert, so dass sich eine zumindest abschnittsweise oder vollständig degressive Kennlinie ergibt. Eine solche Anordnung eignet sich beispielsweise zum Betrieb der Scroll-Maschine bei besonders niedrigen Drücken am Hochdruckanschluss.
In allen dargestellten Ausführungsformen können in einer zwischen Hochdruckanschluss und Gegendruckkammer angeordneten Zuleitung ein Filter und eine Düse und/oder ein weiteres Regelement vorgesehen sein, das zur Regelung des Drucks in der Gegendruckkammer beiträgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Scroll-Maschine mit einem Regelelement zur Regelung eines Druckes in einer Gegendruckkammer,
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des als ein Ventil ausgebildeten Regelelements,
3 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des als Ventil ausgebildeten Regelelements,
4 zeigt eine schematische Ansicht der Scroll-Maschine mit einer weiteren Ausführungsform des Regelelements,
5 zeigt schematisch in einem Diagramm eine Änderung eines Druckes im Verhältnis zu einem Volumen eines Fluids in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess bei zumindest annähernd vollständiger Expansion in der Scroll-Maschine,
6 zeigt schematisch in einem Diagramm eine Änderung eines Druckes im Verhältnis zu einem Volumen eines Fluids in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess bei unvollständiger Expansion in der Scroll-Maschine, und
7 zeigt schematisch ein Diagramm mit Kennlinien des Drucks in der Gegendruckkammer in Abhängigkeit von einem Druck an einem Hochdruckanschluss.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Scroll-Maschine 1. Die Scroll-Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine stationäre Statorscheibe 3 mit einer Statorspirale 4 und eine gegenüber der Statorscheibe 3 orbitierend bewegliche Exzenterscheibe 5 mit einer Exzenterspirale 6, die mit der Statorspirale 4 zur Bildung einer Druckkammer 7 für ein Fluid zwischen der Statorscheibe 3 und der Exzenterscheibe 5 verschachtelt ist, angeordnet sind. Die Statorscheibe 3 weist einen Hochdruckanschluss 8 zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Fluids und einen Niederdruckanschluss 9 zur Ableitung des Fluids auf.
Zum Abdichten der Druckkammer 7 ist eine Anpressvorrichtung 11 in Form einer Gegendruckkammer 12 vorgesehen, die durch Einleiten von unter Druck stehendem Fluid (Backpressure) die Exzenterscheibe 5 in Richtung der Statorscheibe 3 mit einer Anpresskraft beaufschlagen kann. Das Fluid wird der Gegendruckkammer 12 über eine Zuleitung 13 zwischen dem Hochdruckanschluss 8 und der Gegendruckkammer 12 zugeleitet. Eine Dichtung 10, insbesondere eine Gleitringdichtung, ist zwischen der Gegendruckkammer 12 und dem Niederdruckanschluss 9 vorgesehen.
Die Anpressvorrichtung 11 sorgt dafür, dass entgegen dem Druck des Fluids in der Scroll-Maschine 1 ein Spalt zwischen der Exzenterspirale 6 und der Statorscheibe 3 und ein Spalt zwischen der Statorspirale 4 und der Exzenterscheibe 5 möglichst nahezu geschlossen ist, so dass ein Druckgefälle innerhalb der Scroll-Maschine 1 weitgehend vollständig ausgenutzt werden kann. Der Druck in der Gegendruckkammer 12 wird zumindest durch ein Regelelement 16, das zwischen der Gegendruckkammer 12 und dem Niederdruckanschluss 9 vorgesehen ist, in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss 8 und Niederdruckanschluss 9 so geregelt, dass der Druck in der Gegendruckkammer 12 sich zumindest abschnittsweise nichtlinear im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss 8 und Niederdruckanschluss 9 ändert.
Dadurch wird erreicht, dass sich die Anpresskraft zwischen der Exzenterscheibe 5 und der Statorscheibe 3 nichtlinear, beispielsweise überproportional oder unterproportional zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss 8 und Niederdruckanschluss 9 ändert.
In der Zuleitung 13 kann eine Vorrichtung 14, beispielsweise umfassend ein Filter und eine Düse und/oder ein weiteres Regelement vorgesehen sein, um zur Regelung des Drucks in der Gegendruckkammer 12 beizutragen.
2 zeigt eine Ausführungsform des Regelelements 16, wobei das Regelelement 16 als ein Ventil 16 ausgebildet ist, das einen Ventilkörper 18 mit einem Ventilsitz 19 umfasst, wobei ein Dichtkörper 20 zum Verschließen des Ventilsitzes 19 und ein Federelement 21 zum Beaufschlagen des Dichtkörpers 20 mit einer Dichtkraft zum Verschließen des Ventilsitzes 19 vorgesehen sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dichtkörper 20 als eine Kugel ausgebildet. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Dichtkörper 20 auch als ein beweglicher Kolben oder auf andere Weise ausgebildet sein.
Zur Erzielung der nichtlinearen Kennlinie kann ein nichtlineares Federelement 21 verwendet werden. Beispielsweise kann das Federelement 21 als eine progressiv oder degressiv gewickelte Schraubenfeder ausgebildet sein. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann das nichtlineare Federelement 21 als ein mehrstufiges Tellerfedernpaket oder als ein elastisches Elastomer ausgebildet sein.
Zur Erzielung der nichtlinearen Kennlinie kann alternativ oder zusätzlich ein Öffnungsquerschnitt des Ventils 16 in einer in 2 gezeigten Offenstellung des Ventils 16 durch einen Hohlraum 22 innerhalb des Ventilkörpers 18 und den innerhalb des Hohlraums 22 beweglichen Dichtkörper 20 so definiert sein, dass der Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von einer Auslenkung des Dichtkörpers 20 entgegen der durch das Federelement 21 bewirkten Dichtkraft variiert.
Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt, wobei der Hohlraum 22 sich in Richtung der Auslenkung des Dichtkörpers 20 entgegen der Dichtkraft verjüngend ausgebildet ist, so dass bei zunehmendem Druckgefälle und entsprechender Auslenkung des Dichtkörpers 20 vom Ventilsitz 19 weg entgegen der Dichtkraft der Öffnungsquerschnitt reduziert wird.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Scroll-Maschine 1, wobei das Regelelement 16 ein steuerbares Ventil 16.1 zwischen der Gegendruckkammer 12 und dem Niederdruckanschluss 9 und drei Drucksensoren 17.1, 17.2, 17.3 umfasst, wobei einer der Drucksensoren 17.1 in der Gegendruckkammer 12 angeordnet ist, ein weiterer der Drucksensoren 17.2 zur Erfassung des Drucks am Niederdruckanschluss 9 und ein weiterer der Drucksensoren 17.3 zur Erfassung des Drucks am Hochdruckanschluss 8 angeordnet sind, wobei ein Steuergerät 16.2 mit den Drucksensoren 17.1, 17.2, 17.3 und dem steuerbaren Ventil 16.1 verbunden und zur Steuerung und/oder Regelung des Ventils 16.1 in Abhängigkeit von den mit den Drucksensoren 17.1, 17.2, 17.3 erfassten Drücken ausgebildet ist. Ein so ausgebildetes Regelelement 16 ist leicht an eine Betriebssituation der Scroll-Maschine 1 anpassbar, beispielsweise um die Scroll-Maschine 1 als Expander, Verdichter oder Pumpe bei variierenden Druckverhältnissen zu betreiben.
In nicht dargestellten Ausführungsformen können zwei Drucksensoren 17.1, 17.2 in der Gegendruckkammer 12 und entweder am Niederdruckanschluss 9 oder am Hochdruckanschluss 8 vorgesehen sein.
Das steuerbare Ventil 16.1 kann beispielsweise elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch gesteuert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann im Steuergerät 16.2 mindestens eine Kennlinie und/oder ein Kennlinienfeld hinterlegt sein, mittels derer oder dessen das Ventil 16.1 in Abhängigkeit von den mit den Drucksensoren 17.1, 17.2, 17.3 erfassten Drücken steuerbar und/oder regelbar ist.
Die Scroll-Maschine 1 kann als Kompressor, als Vakuumpumpe oder als Expander zur Umwandlung mechanischer Energie aus einem in der Scroll-Maschine 1 expandierenden, die Exzenterspirale 6 antreibenden Fluid in elektrische Energie in einem durch die Exzenterspirale 6 angetriebenen Generator (nicht gezeigt), beispielsweise in einer Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung (Waste Heat Recovery), insbesondere Abgaswärmerückgewinnung (Exhaust Heat Recovery) aus einer Brennkraftmaschine, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. In diesem Fall wird als Fluid ein Arbeitsmittel aus einem über einen Wärmetauscher mittels Abgaswärme beheizten Arbeitsmittelkreislauf verwendet, wobei innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs ein Prozessablauf durchführbar ist, welcher dem eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses oder eines Organic-Rankine-Kreisprozesses entspricht. Die Scroll-Maschine 1 ist dabei in Expansionsrichtung von dem im Arbeitsmittelkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittel durchströmbar, wobei ein Expansionsverhältnis der Scroll-Maschine 1 und/oder eine Zufuhr von Arbeitsmitteln zur Scroll-Maschine 1 veränderbar sein können bzw. kann.
Vorteilhafterweise ist ein Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs der Scroll-Maschine 1 zentrisch zuführbar.
Ein Expansionsdruckgefälle innerhalb der Scroll-Maschine 1 ist von der Geometrie der Statorspirale 4 und der Exzenterspirale 6 abhängig. Diese Geometrie ist somit zweckmäßigerweise bei der Konstruktion der Scroll-Maschine 1 an die jeweiligen Bedingungen im Arbeitsmittelkreislauf anpassbar.
Die Statorspirale 4 und die Exzenterspirale 6 können als archimedische Spiralflächen ausgeformt sein, welche um 180° im Uhrzeigersinn gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Somit kann nahezu die gesamte, im Betrieb einer Brennkraftmaschine anfallende Verlustwärmeenergie im Arbeitsmittelkreislauf und in der Scroll-Maschine 1 genutzt werden.
Durch die Nutzung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
5 zeigt in einem Diagramm eine Änderung eines Druckes P im Verhältnis zu einem Volumen V des Fluids in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess, wobei das Fluid zwischen den dargestellten Punkten P1 und P2 isobar erwärmt wird, zwischen den Punkten P2 und P3 adiabat expandiert, beispielsweise in der Scroll-Maschine 1, zwischen den Punkten P3 und P4 isobar kondensiert und zwischen den Punkten P4 und P1 einer adiabaten Druckerhöhung unterliegt. Das in 5 gezeigte Diagramm zeigt eine zumindest nahezu vollständige adiabate Expansion des Fluids zwischen den Punkten P2 und P3. Im Diagramm ist ein Druck P_Back1 in der Gegendruckkammer 12 dargestellt, der in diesem Betriebszustand zum Abdichten zwischen der Exzenterscheibe 5 und der Statorscheibe 3 erforderlich ist.
6 zeigt in einem Diagramm eine Änderung eines Druckes P im Verhältnis zu einem Volumen V des Fluids in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess bei unvollständiger Expansion des Fluids in der Scroll-Maschine 1 infolge eines erhöhten Druckes am Hochdruckanschluss 8, wobei das Fluid zwischen den dargestellten Punkten P1 und P2 isobar erwärmt wird, zwischen den Punkten P2 und P3 adiabat expandiert, beispielsweise in der Scroll-Maschine 1, zwischen den Punkten P4 und P5 isobar kondensiert und zwischen den Punkten P5 und P1 einer adiabaten Druckerhöhung unterliegt. Im Diagramm ist ein Druck P_Back2 in der Gegendruckkammer 12 dargestellt, der in diesem Betriebszustand zum Abdichten zwischen der Exzenterscheibe 5 und der Statorscheibe 3 erforderlich ist. Im Vergleich mit 5 wird deutlich, dass dieser Druck P_Back2 innerhalb des Kreisprozesses überproportional im Vergleich zum Druck P_Back1 erhöht ist.
7 zeigt ein Diagramm mit durch das Regelelement 16 bedingten Kennlinien KL1, KL2 des Drucks P_Back in der Gegendruckkammer 12 in Abhängigkeit vom Druck P_H am Hochdruckanschluss 8, wobei der Druck am Niederdruckanschluss 8 für diese Darstellung als konstant betrachtet wird. Die Kennlinie KL1 ist eine zumindest annähernd lineare Kennlinie, wie sie für den Betrieb der Scroll-Maschine 1 als Verdichter geeignet ist. Die Kennlinie KL2 ist eine progressiv nichtlineare Kennlinie, die für den Betrieb der Scroll-Maschine 1 als Expander bei variierenden Druckverhältnissen geeignet ist.
Bezugszeichenliste

1: Scroll-Maschine
2: Gehäuse
3: Statorscheibe
4: Statorspirale
5: Exzenterscheibe
6: Exzenterspirale
7: Druckkammer
8: Hochdruckanschluss
9: Niederdruckanschluss
10: Dichtung
11: Anpressvorrichtung
12: Gegendruckkammer
13: Zuleitung
14: Vorrichtung
16: Regelelement, Ventil
16.1: steuerbares Ventil
16.2: Steuergerät
17.1: Drucksensor
17.2: Drucksensor
17.3: Drucksensor
18: Ventilkörper
19: Ventilsitz
20: Dichtkörper
21: Federelement
22: Hohlraum
KL1: Kennlinie
KL2: Kennlinie
P: Druck
P1 bis P5: Punkt
PBack: Druck in der Gegendruckkammer
PBack1: Druck in der Gegendruckkammer
PBack2: Druck in der Gegendruckkammer
PH: Druck am Hochdruckanschluss
V: Volumen

Claims

Scroll-Maschine (1), umfassend eine stationäre Statorscheibe (3) mit einer Statorspirale (4) und eine gegenüber der Statorscheibe (3) orbitierend bewegliche Exzenterscheibe (5) mit einer Exzenterspirale (6), die mit der Statorspirale (4) zur Bildung einer Druckkammer (7) für das Fluid zwischen der Statorscheibe (3) und der Exzenterscheibe (5) verschachtelt ist, wobei ein Hochdruckanschluss (8) zur Zuleitung und/oder Ableitung eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer (7) und ein Niederdruckanschluss (9) zur Ableitung und/oder Zuleitung des Fluids aus der Druckkammer (7) vorgesehen sind, wobei zum Abdichten der Druckkammer (7) eine Gegendruckkammer (12) vorgesehen ist, die mit dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Hochdruckanschluss (8) beaufschlagbar ist und durch die die Exzenterscheibe (5) in Richtung der Statorscheibe (3) mit einer Anpresskraft beaufschlagbar ist, wobei ein Regelelement (16) zwischen der Gegendruckkammer (12) und dem Niederdruckanschluss (9) vorgesehen ist, um einen Druck (P_Back) in der Gegendruckkammer (12) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (16) so ausgebildet ist, dass der Druck (P_Back) in der Gegendruckkammer (12) sich zumindest abschnittsweise nichtlinear im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) ändert.
Scroll-Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (16) so ausgebildet ist, dass der Druck (P_Back) in der Gegendruckkammer (12) sich zumindest abschnittsweise überproportional im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) ändert.
Scroll-Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (16) so ausgebildet ist, dass der Druck (P_Back) in der Gegendruckkammer (12) sich zumindest abschnittsweise unterproportional im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) ändert.
Scroll-Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (16) als ein Ventil (16) ausgebildet ist, das einen Ventilkörper (18) mit einem Ventilsitz (19) umfasst, wobei ein Dichtkörper (20) zum Verschließen des Ventilsitzes (19) und ein Federelement (21) zum Beaufschlagen des Dichtkörpers (20) mit einer Dichtkraft vorgesehen sind.
Scroll-Maschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (21) als eine progressiv oder degressiv gewickelte Schraubenfeder oder als ein mehrstufiges Tellerfedernpaket oder als ein elastisches Elastomer ausgebildet ist.
Scroll-Maschine (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsquerschnitt des Ventils (16) in einer Offenstellung durch einen Hohlraum (22) innerhalb des Ventilkörpers (18) und den innerhalb des Hohlraums (22) beweglichen Dichtkörper (20) definiert ist, wobei der Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von einer Auslenkung des Dichtkörpers (20) entgegen der Dichtkraft variiert.
Scroll-Maschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (22) sich in Richtung der Auslenkung des Dichtkörpers (20) entgegen der Dichtkraft verjüngend ausgebildet ist.
Scroll-Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (16) ein steuerbares Ventil (16.1) zwischen der Gegendruckkammer (12) und dem Niederdruckanschluss (9) und mindestens zwei Drucksensoren (17.1, 17.2, 17.3) umfasst, wobei einer der Drucksensoren (17.1, 17.2, 17.3) in der Gegendruckkammer (12) angeordnet ist und mindestens ein weiterer der Drucksensoren (17.1, 17.2, 17.3) zur Erfassung des Drucks am Niederdruckanschluss (9) und/oder Hochdruckanschluss (8) oder zur Erfassung der Druckdifferenz zwischen Niederdruckanschluss (9) und Hochdruckanschluss (8) angeordnet ist, wobei ein Steuergerät (16.2) mit den Drucksensoren (17.1, 17.2, 17.3) und dem steuerbaren Ventil (16.1) verbunden und zur Steuerung und/oder Regelung des steuerbaren Ventils (16.1) in Abhängigkeit von den mit den Drucksensoren (17.1, 17.2, 17.3) erfassten Drücken ausgebildet ist.
Scroll-Maschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (16.2) mindestens eine Kennlinie (KL1, KL2) und/oder ein Kennlinienfeld hinterlegt ist, mittels derer oder dessen das steuerbare Ventil (16.1) in Abhängigkeit von den mit den Drucksensoren (17.1, 17.2, 17.3) erfassten Drücken steuerbar und/oder regelbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer Scroll-Maschine (1) zur Wandlung von Energie aus einem unter Druck stehenden Fluid in mechanische Energie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das unter Druck stehende Fluid der Scroll-Maschine (1) an einem Hochdruckanschluss (8) zugeführt und aus der Scroll-Maschine (1) an einem Niederdruckanschluss (9) abgeführt wird, wobei zum Abdichten der Druckkammer (7) eine Gegendruckkammer (12) vorgesehen ist, die mit dem unter Druck stehenden Fluid aus dem Hochdruckanschluss (8) beaufschlagt wird um die Exzenterscheibe (5) in Richtung der Statorscheibe (3) mit einer Anpresskraft zu beaufschlagen, wobei mittels eines Regelelements (16) zwischen der Gegendruckkammer (12) und dem Niederdruckanschluss (9) ein Druck (P_Back) in der Gegendruckkammer (12) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P_Back) in der Gegendruckkammer (12) mittels des Regelelements (16) zumindest abschnittsweise nichtlinear im Verhältnis zur Druckdifferenz zwischen Hochdruckanschluss (8) und Niederdruckanschluss (9) gesteuert und/oder geregelt wird.