DE102013021254A1

DE102013021254A1 - Scroll-Maschine und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102013021254A1
Application number: DE102013021254.5A
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 (4) verschachtelt ist, wobei ein Hochdruckanschluss (8) zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer (7) und ein Niederdruckanschluss (9) zur Ableitung des Fluids aus der Druckkammer (7) vorgesehen sind, wobei die Exzenterscheibe (5) mit einer Welle (15) verbunden ist, die in mindestens einem Lager (16) drehbar angeordnet ist, wobei in Strömungsrichtung vor der Druckkammer (7) ein Schmierpfad (20) vom Hochdruckanschluss (8) abzweigt und durch das mindestens eine Lager (16) zum Niederdruckanschluss (9) geführt ist, so dass ein Teil eines dem Hochdruckanschluss (8) zugeführten Fluids mit einem darin enthaltenen Schmiermittelanteil durch die Druckkammer (9) und ein anderer Teil durch den Schmierpfad (20) führbar ist. Die Erfindung betrifft weiter 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 6.
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 eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer und ein Niederdruckanschluss zur Ableitung des Fluids aus der Druckkammer vorgesehen sind, wobei die Exzenterscheibe mit einer Welle verbunden ist, die in mindestens einem Lager drehbar angeordnet ist. In Strömungsrichtung vor der Druckkammer zweigt ein Schmierpfad vom Hochdruckanschluss ab und ist durch das mindestens eine Lager zum Niederdruckanschluss geführt, so dass ein Teil eines dem Hochdruckanschluss zugeführten Fluids mit einem darin enthaltenen Schmiermittelanteil durch die Druckkammer und ein anderer Teil durch den Schmierpfad führbar ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Scroll-Maschine wird ein unter Druck stehendes Fluid mit einem Schmierstoffanteil am Hochdruckanschluss zugeführt und am Niederdruckanschluss abgeführt, wobei ein Teil des Fluids mit dem Schmierstoffanteil in Strömungsrichtung vor der Druckkammer dem vom Hochdruckanschluss abzweigenden Schmierpfad zugeführt und dabei durch das mindestens eine Lager zum Niederdruckanschluss geführt wird.
Das im Schmierpfad geführte Schmiermittel, beispielsweise Öl, dient sowohl der Schmierung als auch der Kühlung des mindestens einen Lagers und gegebenenfalls weiterer im Schmierpfad liegender Komponenten. Die Versorgung des mindestens einen Lagers erfolgt über ein Druckgefälle von Hochdruckanschluss zum Niederdruckanschluss. Die als Scroll-Expander betriebene Scroll-Maschine kann, anders als ein Scrollverdichter, nicht aus einem niederdruckseitigen Triebraum mit Schmieröl für Lager und Scrollscheiben versorgt werden. Die erfindungsgemäße Schmierung durch einen im Fluid, das heißt dem Arbeitsmedium, enthaltenen Schmierstoffanteil im Expanderbetrieb der Scroll-Maschine erlaubt jedoch eine Schmierung und Kühlung des mindestens einen Lagers und gegebenenfalls weiterer Komponenten, beispielsweise eines durch die Welle angetriebenen Generators.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Scroll-Maschine, und
2 eine schematische Detailansicht der Scroll-Maschine.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Ansicht 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, beispielsweise Ethanol, 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 kann der Gegendruckkammer 12 beispielsweise über eine Leitung 14 (siehe Detailansicht in 2) zwischen dem Hochdruckanschluss 8 und der Gegendruckkammer 12 oder durch eine Mitteldruckanzapfung (nicht dargestellt) der Druckkammer 7 zugeleitet werden.
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.
Die Exzenterscheibe 5 ist exzentrisch mit einer Welle 15 verbunden, die in zwei Lagern 16 drehbar angeordnet ist. Eine orbitierende Bewegung der Exzenterscheibe 5 bewirkt daher eine Rotation der Welle 15. Es ist eine elektrische Maschine 17 zur Wandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie der orbitierend beweglichen Exzenterscheibe 5 vorgesehen. Die elektrische Maschine 17 umfasst einen Stator 18 und einen mit der Welle 15 verbundenen Rotor 19. Wenn die Scroll-Maschine 1 als Scroll-Expander betrieben wird, verursacht eine Expansion des Fluids in der Druckkammer 7 eine orbitierende Bewegung der Exzenterscheibe 5 und damit eine Rotation der Welle 15 und des Rotors 19 gegenüber dem Stator 18, so dass die elektrische Maschine 17 elektrische Energie gewinnt.
Zur Schmierung und/oder Kühlung der Lager 16 und/oder der elektrischen Maschine 17 ist ein Schmierpfad 20 vorgesehen. Der Schmierpfad 20 beginnt in Strömungsrichtung vor der Druckkammer 7 im Hochdruckanschluss 8 und umfasst die Leitung 14, mit der das Fluid der Gegendruckkammer 12 zugeführt wird. Von dort setzt sich der Schmierpfad 20 fort aus der Gegendruckkammer 12 durch das nächstliegende Lager 16, von dort, beispielsweise durch eine seitliche Bohrung 21, in die hohl ausgebildete Welle 15 und durch diese hindurch zu dem von der Gegendruckkammer 12 entfernteren der beiden Lager 16 und von dort aus um den Rotor 19 herum zum Niederdruckanschluss 9.
Das dem Hochdruckanschluss 8 zugeführte Fluid enthält einen Schmiermittelanteil, mit dem erstens die Exzenterscheibe 5 gegenüber einer Anlagefläche 22, zweitens ein Exzenterlager 23, mit dem die Exzenterscheibe 5 über einen Exzenter 24 zur Welle 15 verbunden ist, drittens die Lager 16 und viertens die elektrische Maschine 17 geschmiert und gekühlt werden.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann eine andere Anzahl von Lager 16 für die Welle 15 vorgesehen sein, beispielsweise ein Lager 16 oder drei oder mehr Lager 16, die im Schmierpfad 20 liegen.
Ebenso kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform eine anders geartete Anpressvorrichtung 11 vorgesehen sein, die nicht zwingend im Schmierpfad 20 liegen muss.
Zur Kühlung der Scroll-Maschine 1, insbesondere der elektrischen Maschine 17, ist um das Gehäuse 2 ein Kühlmantel 25 mit von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanälen 26 vorgesehen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Gehäuse 2 von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle 26 aufweisen.
Bei einem Verfahren zum Betrieb der Scroll-Maschine 1 wird das unter Druck stehende Fluid mit einem Schmierstoffanteil am Hochdruckanschluss 8 zugeführt und am Niederdruckanschluss 9 abgeführt. Ein Teil des Fluids mit dem Schmierstoffanteil wird zur Kühlung und Schmierung definiert durch den Schmierpfad 20 geführt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann im Fluid ein Anteil von 1% bis 20% Schmierstoff, beispielsweise Öl, enthalten sein.
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 Exzenterscheibe 5 antreibenden Fluid in elektrische Energie in der durch die Exzenterscheibe 5 angetriebenen elektrischen Maschine 17, 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 mit dem Schmiermittelanteil 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.
Bezugszeichenliste

1: Scroll-Maschine
2: Gehäuse
3: Statorscheibe
4: Statorspirale
5: Exzenterscheibe
6: Exzenterspirale
7: Druckkammer
8: Hochdruckanschluss
9: Niederdruckanschluss
11: Anpressvorrichtung
12: Gegendruckkammer
14: Leitung
15: Welle
16: Lager
17: elektrische Maschine
18: Stator
19: Rotor
20: Schmierpfad
21: seitliche Bohrung
22: Anlagefläche
23: Exzenterlager
24: Exzenter
25: Kühlmantel
26: Kühlkanäle

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 (4) verschachtelt ist, wobei ein Hochdruckanschluss (8) zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer (7) und ein Niederdruckanschluss (9) zur Ableitung des Fluids aus der Druckkammer (7) vorgesehen sind, wobei die Exzenterscheibe (5) mit einer Welle (15) verbunden ist, die in mindestens einem Lager (16) drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor der Druckkammer (7) ein Schmierpfad (20) vom Hochdruckanschluss (8) abzweigt und durch das mindestens eine Lager (16) zum Niederdruckanschluss (9) geführt ist, so dass ein Teil eines dem Hochdruckanschluss (8) zugeführten Fluids mit einem darin enthaltenen Schmiermittelanteil durch die Druckkammer (9) und ein anderer Teil durch den Schmierpfad (20) führbar ist.
Scroll-Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (15) in mindestens zwei Lagern (16) drehbar angeordnet ist, wobei der Schmierpfad (20) durch ein erstes der Lager (16) in die hohl ausgebildete Welle (15) und durch diese hindurch zu einem zweiten der Lager (16) und von diesem zum Niederdruckanschluss (9) geführt ist.
Scroll-Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abdichten der Druckkammer (7) eine Gegendruckkammer (12) vorgesehen ist, durch die die Exzenterscheibe (5) in Richtung der Statorscheibe (3) mit einer Anpresskraft beaufschlagbar ist, wobei die Gegendruckkammer (12) im Schmierpfad (20) angeordnet ist, derart, dass das Fluid mit dem Schmierstoffanteil der Gegendruckkammer (12) vom Hochdruckanschluss (8) aus zuleitbar und aus der Gegendruckkammer (12) in das mindestens eine Lager (16) ableitbar ist.
Scroll-Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scroll-Maschine (1) ein Gehäuse (2) aufweist, das von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle (26) aufweist oder in einem Kühlmantel (25) mit von dem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanälen (26) angeordnet ist.
Scroll-Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Maschine (17) zur Wandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie der orbitierend beweglichen Exzenterscheibe (5) vorgesehen ist, wobei die elektrische Maschine (17) einen Stator (18) und einen mit der Welle (15) verbundenen Rotor (19) umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Scroll-Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 (4) verschachtelt ist, wobei ein Hochdruckanschluss (8) zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer (7) und ein Niederdruckanschluss (9) zur Ableitung des Fluids aus der Druckkammer (7) vorgesehen sind, wobei die Exzenterscheibe (5) mit einer Welle (15) verbunden ist, die in mindestens einem Lager (16) drehbar angeordnet ist, wobei ein unter Druck stehendes Fluid mit einem Schmierstoffanteil am Hochdruckanschluss (8) zugeführt und am Niederdruckanschluss (9) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Fluids mit dem Schmierstoffanteil in Strömungsrichtung vor der Druckkammer (7) einem vom Hochdruckanschluss (8) abzweigenden Schmierpfad (20) zugeführt und dabei durch das mindestens eine Lager (16) zum Niederdruckanschluss (9) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Fluid ein Anteil von 1% bis 20% Schmierstoff enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (15) in mindestens zwei Lagern (16) drehbar angeordnet ist, wobei der Schmierpfad (20) durch ein erstes der Lager (16) in die hohl ausgebildete Welle (15) und durch diese hindurch zu einem zweiten der Lager (16) und von diesem zum Niederdruckanschluss (9) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abdichten der Druckkammer (7) eine Gegendruckkammer (12) vorgesehen ist, durch die die Exzenterscheibe (5) in Richtung der Statorscheibe (3) mit einer Anpresskraft beaufschlagt wird, wobei die Gegendruckkammer (12) im Schmierpfad (20) angeordnet ist, derart, dass das Fluid mit dem Schmierstoffanteil der Gegendruckkammer (12) vom Hochdruckanschluss (8) aus zugeleitet und aus der Gegendruckkammer (12) in das mindestens eine Lager (16) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid Ethanol verwendet wird.