DE102013200805A1

DE102013200805A1 - Spiralverdichter

Info

Publication number: DE102013200805A1
Application number: DE201310200805
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Hanslik; Volker Kirschner; Hans Christian Uibeleisen; Peter Wieske
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter (1) mit einer feststehenden ersten Spirale (2) und einer darin eingreifenden, orbitierenden zweiten Spirale (3). Erfindungswesentlich ist dabei,
– dass eine Pendelschiebermechanik (4) mit einem Innenring (5) und einem damit über Pendel (6) verbundenen, feststehenden Außenring (7) vorgesehen ist,
– dass der Innenring (5) einerseits mit einem Exzenter (8) und anderseits fest mit der zweiten Spirale (3) verbunden ist,
– dass die Pendelschiebermechanik (4) in aktiviertem Zustand die orbitierende Bewegung des Innenrings (5) relativ zum Außenring (7) und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale (3) bezüglich der ersten Spirale (2) bewirkt,
– dass die Pendelschiebermechanik (4) zur Kompression des von dem Spiralverdichter (1) geförderten Fluides und/oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides ausgebildet ist.
Hierdurch ist eine Steigerung der Funktionalität des Spiralverdichters (1) möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralverdichter bzw. eine Expansionsmaschine mit einer feststehenden ersten Spirale und einer darin eingreifenden orbitierenden zweiten Spirale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Klimaanlage mit einem derartigen Spiralverdichter.
Aus der DE 696 31 306 T2 ist ein gattungsgemäßer Spiralverdichter zum Verdichten eines Fluids bekannt, umfassend eine Gehäuseeinrichtung zum Ausbilden eines äußeren Grundgerüsts des Verdichters, welche mit einer Einlassöffnung zum Einleiten des Fluids vor der Verdichtung in dem Verdichter und einem Auslass zum Liefern des Fluids nach der Verdichtung versehen ist. Mittels einer Rotationsverhinderungseinrichtung wird dabei eine zweite bewegliche Spirale zu einer orbitierenden Bewegung gezwungen. Die Rotationsverhinderungseinrichtung besitzt hierzu eine Mehrzahl von Stift- und Ringzusammensetzungen, wobei jedes ein Paar von Stiften aufweist, die jeweils auf einem Verdichtergehäuse und der Spirale angebracht sind. Hierdurch soll im Wesentlichen eine identische Belastung auf jedes Paar von Stiften der Mehrzahl von Stift- und Ringzusammensetzungen einwirken.
Aus der US 801,182 ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Spiralverdichter bekannt.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Spiralverdichtern ist dabei insbesondere deren vergleichsweise eingeschränkte Funktionalität.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Spiralverdichter der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine gesteigerte Funktionalität auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Spiralverdichter eine bisher eingesetzte Rotationsverhinderungseinrichtung durch eine Pendelschiebermechanik zu ersetzen und dieser Pendelschiebermechanik zudem eine weitere Förder- bzw. Kompressionsfunktion zuzuweisen. Die erfindungsgemäße Pendelschiebermechanik weist dabei einen Innenring und einen damit über Pendel verbundenen, stationären Außenring auf, wobei der Innenring einerseits mit einem Exzenter und andererseits fest mit einer zweiten, das heißt mit der orbitierenden, Spirale des Spiralverdichters verbunden ist. Diese zweite Spirale bildet zusammen mit einer ersten feststehenden Spirale den eigentlichen Spiralverdichter, wobei die beiden Spiralen miteinander veränderliche erste Druckräume einschließen. Die Pendelschiebermechanik bewirkt in aktiviertem Zustand die orbitierende Bewegung des Innenrings relativ zum Außenring und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale bezüglich der ersten Spirale. Zugleich ist die Pendelschiebermechanik zur Kompression des vom Spiralverdichter geförderten Fluides und/oder zur Förderung zumindest eines weiteren, separaten Fluides ausgebildet, wodurch die Funktionalität des erfindungsgemäßen Spiralverdichters deutlich gesteigert werden kann. Der erfindungsgemäße Spiralverdichter bewirkt dabei mit seinen beiden ineinander greifenden Spiralen die Kompression eines ersten Fluides, beispielsweise eines Kältemittels, wogegen die Pendelschiebermechanik über zweite bzw. dritte Druckräume eine Voroder Nachkompression des Kältemittels oder aber die Förderung eines separaten Fluides, beispielsweise eines Schmiermittels, bewirken. Durch die erfindungsgemäß anstelle eines bisherigen Scroll-Getriebes eingesetzte Pendelschiebermechanik können nicht nur ein hoher Wirkungsgrad und ein geräuscharmer Betrieb des Spiralverdichters gewährleistet werden, sondern beispielsweise auch eine höhere Verdichtung, wodurch eine bessere Effizienz erzielbar ist, sofern die zweiten Druckräume zur Vor- bzw. Nachverdichtung des Kältemittels genutzt werden.
Zweckmäßig sind die Pendel gelenkig am Innenring gelagert und in in Radialrichtung verlaufenden Pendelführungsnuten im Außenring geführt, oder umgekehrt. Zwischen den Pendeln, dem Innenring und dem Außenring sind dabei die zweiten Druckräume zur Kompression des vom Spiralverdichter geförderten Fluides oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides angeordnet, wogegen die Pendel und die Pendelführungsnuten dritte Druckräume zur Kompression des vom Spiralverdichter geförderten Fluides oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides begrenzt. Denkbar ist hierbei beispielsweise, dass das Kältemittel zunächst in den zweiten Druckräumen, das heißt zwischen den Pendeln, dem Innenring und dem Außenring, vorverdichtet und anschließend den zwischen den beiden Spiralen angeordneten ersten Druckräumen zur Nachverdichtung bzw. zur weiteren Verdichtung zugeführt wird. Hierdurch kann eine deutlich erhöhte Verdichtung bewirkt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Spiralverdichters gesteigert werden kann. Die Drehzahl der Pendelschiebermechanik und der zweiten Spirale ist dabei gleich, da der Innenring drehfest mit der zweiten, orbitierenden Spirale des Spiralverdichters verbunden ist. Das Hubvolumen der Pendelschiebermechanik kann dabei insbesondere über die Getriebehöhe an das Hubvolumen des Scroll-Verdichters, das heißt des Spiralverdichters, angepasst werden, so dass das Schluckvolumen des Spiralverdichters auf das Fördervolumen der zur Vorkompression eingesetzten Pendelschiebermechanik abgestimmt ist. Das in den zweiten Druckräumen vorkomprimierte Kältemittel kann somit bereits unter Druck in die ersten Druckräume des Spiralverdichters eingeleitet und dort nochmals verdichtet werden. Zusätzlich können beispielsweise die dritten Druckräume zwischen den Pendeln und den Pendelführungsnuten zur weiteren Voroder Nachverdichtung des Kältemittels verwendet werden oder aber zur Förderung beispielsweise eines Schmiermittels, mittels welchem der Innenring gegenüber dem Exzenter geschmiert werden kann. Ein derartiger Spiralverdichter weist somit eine deutlich gesteigerte Funktionalität im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Spiralverdichtern, die lediglich über erste Druckräume verfügen, auf.
Zweckmäßig kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher das in den zweiten Druckräumen vorkomprimierte Kältemittel vor einer Weiterleitung in die ersten Druckräume kühlbar ist. Eine Wärmeabfuhr kann hierbei beispielsweise an die Umgebung erfolgen. Durch eine Kühlung des komprimierten Kältemittels zwischen den zweiten und den ersten Druckräumen kann eine weitere Leistungssteigerung des Spiralverdichters erreicht werden. Bei kompressiblen Fluiden ist das sich bei einem bestimmten Druck einstellende Volumen temperaturabhängig. Bei der Verdichtung wird das Fluid auf einen bestimmten Druck verdichtet. Dabei stellt sich ein bestimmtes Volumen und eine Temperatur ein. Kühlt man nun das verdichtete Fluid isobar ab, findet eine Volumenverringerung statt. Durch diese mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung kann die zur Kompression eines gegebenen Saugvolumens erforderliche Arbeit im Vergleich zur einstufigen Verdichtung reduziert werden. Zudem kann durch die Volumenabnahme aufgrund der Vorkompression (mit oder ohne Zwischenkühlung) das Hubvolumen des Spiralverdichters kleiner gewählt werden, was Vorteile bezüglich des Bauraums bietet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 eine teilweise geschnittene Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Spiralverdichter,
2 eine teilweise geschnittene Ansicht der in 5 dargestellten Pendelschiebermechanik
3 eine erste mögliche Ausführungsform der Pendelschiebermechanik zum Antrieb des Spiralverdichters zur Förderung eines inkompressiblen Fluids,
4 eine teilweise geschnittene Ansicht der in 3 dargestellten Pendelschiebermechanik
5 eine Detaildarstellung einer Pendelschiebermechanik im Spiralverdichter für eine Fluidführung auf mehreren Ebenen,
6 eine Prinzipskizze einer zwischen den ersten und zweiten Druckräumen gelegenen Kühleinrichtung
7. eine Ausführungsform der Pendelschiebermechanik zum Antrieb des Spiralverdichters zur Förderung eines kompressiblen Fluids,
8 eine teilweise geschnittene Ansicht der in 7 dargestellten Pendelschiebermechanik.
Entsprechend den 1, 2 4 und 8, weist ein erfindungsgemäßer Spiralverdichter 1, der in umgekehrtem Zustand auch als Expansionsmaschine betrieben werden kann, eine erste, feststehende Spirale 2 sowie eine darin eingreifende, orbitierende zweite Spirale 3 auf. Um eine orbitierende Bewegung der zweiten Spirale 3 erzeugen zu können, wurde bisher eine Antirotationseinrichtung bzw. eine Rotationshinderungseinrichtung vorgesehen, die mit einem Exzenter zusammenwirkt. Diese Antirotationseinrichtung wird nun erfindungsgemäß durch eine Pendelschiebermechanik 4 mit einem Innenring 5 und einem damit über Pendel 6 verbundenen, stationären Außenring 7 ersetzt (vergleiche insbesondere 3, 5 und 7). Der Innenring 5 ist dabei einerseits drehbar mit einem Exzenter 8 und andererseits drehfest mit der zweiten Spirale 3 verbunden. In aktiviertem Zustand bewirkt die Pendelschiebermechanik 4 die orbitierende Bewegung des Innenrings 5 relativ zum Außenring 7 und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale 3 bezüglich der ersten Spirale 2. Um nun die Funktionalität des erfindungsgemäßen Spiralverdichters 1 erhöhen zu können und insbesondere auch die Funktionalität der Pendelschiebermechanik 4 nicht nur für die Erzeugung der orbitierenden Bewegung der zweiten Spirale 3 nutzen zu können, ist die Pendelschiebermechanik 4 zugleich zur Kompression des vom Spiralverdichter 1 geförderten Fluides und/oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides ausgebildet. Die Pendelschiebermechanik 4 kann dabei insbesondere eine Voroder Nachkompression eines zu fördernden Kältemittels übernehmen.
Der Exzenter 8 ist dabei drehfest mit einer Welle 9 verbunden, die beispielsweise von einem Elektromotor 10 angetrieben wird. Wird der Spiralverdichter 1 als Expansionsmaschine genutzt, so kann der Elektromotor 10 als Generator wirken und elektrischen Strom erzeugen.
Betrachtet man nun die 3 und 5, so kann man erkennen, dass die Pendel 6 gelenkig am Innenring 5 gelagert und in in Radialrichtung verlaufenden Pendelführungsnuten 11 im Außenring 7 geführt sind. Theoretisch ist aber selbstverständlich auch eine umgekehrte Anordnung denkbar, bei welcher die Pendel 6 gelenkig am Innenring 5 gelagert sind und in entsprechenden Pendelführungsnuten 11 im Außenring 7 geführt sind.
Die beiden Spiralen 2 und 3 schließen miteinander veränderliche, erste Druckräume 12 ein, wobei zwischen den Pendeln 6, dem Innenring 5 und dem Außenring 7 zweite Druckräume 13 zur Kompression des vom Spiralverdichter 1 geförderten Fluides oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides angeordnet sind. Darüber hinaus sind dritte Druckräume 14 zur Kompression des vom Spiralverdichter 1 geförderten Fluides oder zur Förderung zumindest eines weiteren Fluides, insbesondere zur Förderung von Schmieröl, vorgesehen. Die dritten Druckräume 14 sind dabei durch die Pendel 6 und die Pendelführungsnuten 11 begrenzt.
Generell ist es möglich, zumindest zwei Druckräume 12, 13, 14, beispielsweise die zweiten und ersten Druckräume 13, 12 in Reihe zueinander zu schalten und dadurch eine Vor- oder Nachverdichtung des Fluides, beispielsweise des Kältemittels, zu ermöglichen. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass alle drei Druckräume 12, 13, 14 in Reihe zueinander geschaltet sind und dadurch eine stufenweise Verdichtung ermöglichen. Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass alle drei Druckräume 12, 13, 14 parallel durchströmt sind und somit eine parallele Förderung von Kältemittel oder aber eine parallele Förderung von unterschiedlichen Fluiden ermöglichen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das zu fördernde Fluid ein Kältemittel, welches in den zweiten Druckräumen 13 vorverdichtet und anschließend in den ersten Druckräumen 12 zwischen den beiden Spiralen 2, 3 nachverdichtet wird. In den dritten Druckräumen 14 hingegen wird Schmiermittel gefördert, also ein inkompressibles Fluid, womit insbesondere eine Gleitfläche 21 des Exzenters 8 am Innenring 5 geschmiert werden kann.
Rein theoretisch ist es auch denkbar, eine Kühleinrichtung 15 vorzusehen, mittels welcher vorkomprimiertes Kältemittel aus den zweiten oder dritten Druckräumen 13, 14 gekühlt und anschließend in den ersten Druckräumen 12 nachverdichtet wird, wie dies gemäß der 6 dargestellt ist.
Über einen Saugraum 16, das heißt eine Saugniere, wird das zu komprimierende Kältemittel in die Pendelschiebermechanik 4 angesaugt. Über einen Auslass 22 verlässt das vorkomprimierte Kältemittel die Pendelschiebermechanik 4 und wird den ersten Druckräumen 12 zugeführt. Hierbei ist ein auf das Schluckvolumen der ersten Druckräume 12 abgestimmtes Fördervolumen der zur Vorkompression eingesetzten Pendelschiebermechanik 4 vorgesehen. Aufgrund der Volumenabnahme während der Kompression ist das Hubvolumen in der Pendelschiebermechanik 4, das heißt insbesondere in den zweiten Druckräumen 13, grundsätzlich größer zu wählen als in den ersten Druckräumen 12 zwischen den beiden Spiralen 2, 3. Das Hubvolumen der zweiten Druckräume 13 kann dabei über die Getriebehöhe an das Hubvolumen der ersten Druckräume 12 angepasst werden. Während der Kompression steigt die Dichte des Fluids. Da der Massenstrom im gesamten Kreislauf gleich ist, sinkt folglich das erforderliche Hubvolumen mit steigender Dichte. Daher sollte das Saugvolumen der zweiten Druckstufe (Scroll, Spiralverdichter) kleiner als das der Pendelschiebermechanik 4 sein. Das zu einem Scroll mit gegebenem Hubvolumen passende Hubvolumen der Pendelschiebermechanik 4 wird dann bevorzugt durch Skalierung in der Höhe der Pendelschiebermechanik 4 eingestellt, um nicht den Durchmesser der Pendelschiebermechanik 4 größer als den des Scrolls wählen zu müssen
Betrachtet man die 3 und 5 so ist hier ein Auslass 17 für die zwischen dem Innenring 5 und dem Außenring 7 gelegenen zweiten Druckräume erkennbar. Selbstverständlich ist auch ein Auslass 18 (vergleiche 2) für die dritten Druckräume 14 vorgesehen, der jedoch in einer anderen Ebene als der Auslass 17 für die zweiten Druckräume 13 liegt (vergleiche 5).
Prinzipiell sind selbstverständlich auch Ausführungsformen mit Saugraum 16 und Druckniere 19 denkbar (vergleiche 3) oder aber nur mit Saugraum 16, wie dies gemäß der 5 dargestellt ist. Ob eine Druckniere 19 verwendet wird hängt davon ab, ob ein inkompressibles Fluid, z.B. Öl gefördert wird, oder aber ein kompressibles Fluid wie Kältemittel. Im Fall des inkompressiblen Fluids muss eine Druckniere 19 verwendet werden, während bei einem kompressiblen Fluid eine Auslassbohrung (Auslass 18, 22) vorteilhafter ist, um die Kompression durch Volumenänderung zu erzielen.
Rein theoretisch können selbstverständlich die beiden Auslässe 17, 18 auch in einer Ebene angeordnet sein, wie dies gemäß der 4 dargestellt ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Spiralverdichter 1 lässt sich dessen Funktionalität deutlich steigern, insbesondere lassen sich zusätzliche Vorverdichtungsstufen oder aber auch die Förderung eines gänzlich separaten Fluides, wie beispielsweise eines Schmiermittels, realisieren. Ein derartiger Spiralverdichter 1 ist insbesondere für den Einsatz in einer Klimaanlage 20 in einem nicht näher dargestellten Kraftfahrzeug von besonderem Vorteil.
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 69631306 T2 [0002]
US 801182 [0003]

Claims

Spiralverdichter (1) mit einer feststehenden ersten Spirale (2) und einer darin eingreifenden, orbitierenden zweiten Spirale (3), die miteinander veränderliche erste Druckräume (12) einschließen, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Pendelschiebermechanik (4) mit einem Innenring (5) und einem damit über Pendel (6) verbundenen, feststehenden Außenring (7) vorgesehen ist, – dass der Innenring (5) einerseits mit einem Exzenter (8) und anderseits fest mit der zweiten Spirale (3) verbunden ist, – dass die Pendelschiebermechanik (4) in aktiviertem Zustand die orbitierende Bewegung des Innenrings (5) relativ zum Außenring (7) und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale (3) bezüglich der ersten Spirale (2) bewirkt, – dass die Pendelschiebermechanik (4) zur Kompression des von dem Spiralverdichter (1) geförderten Fluides und/oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides ausgebildet ist.
Spiralverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Pendel (6) gelenkig am Innenring (5) gelagert und in in Radialrichtungverlaufenden Pendelführungsnuten (11) im Außenring (7) geführt sind, oder umgekehrt.
Spiralverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Pendeln (6), dem Innenring (5) und dem Außenring (7) zweite Druckräume (13) zur Kompression des von dem Spiralverdichter (1) geförderten Fluides und/oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides angeordnet sind.
Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pendel (6) und die Pendelführungsnuten (11) dritte Druckräume (14) zur Kompression des von dem Spiralverdichter (1) geförderten Fluides und/oder zur Förderung zumindest eines separaten Fluides begrenzen.
Spiralverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest zwei Druckräume (12, 13, 14) in Reihe zueinander geschaltet sind und dadurch eine Vor- und Nachverdichtung des Fluides ermöglichen, oder – dass sämtliche drei Druckräume (12, 13, 14) parallel durchströmt sind und somit eine parallele Förderung von Fluid ermöglichen.
Spiralverdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Kältemittel ist, welches in den zweiten Druckräumen (13) vorverdichtet und in den ersten Druckräumen (12) zwischen den beiden Spiralen (2, 3) nachverdichtet wird.
Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (15) vorgesehen ist, mittels welcher vorkomprimiertes Kältemittel zwischen den zweiten Druckräumen (13) und den ersten Druckräumen (12) kühlbar ist.
Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Druckräume (14) zur Förderung von Schmiermittel zur Schmierung des Kompressors/ Expanders ausgebildet sind und insbesondere eine Gleitfläche (21) des Exzenters (8) am Innenring (5) schmieren.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass der Spiralverdichter (1) als Expansionsmaschine betrieben und die Pendelschiebermechanik (4) zur Förderung eines Fluides eingesetzt wird und das erreichbare Fördervolumen über die axiale Dimensionierung der Pendelschiebermechanik (4) so ausgelegt wird, dass das Auslassvolumen der Pendelschiebermechanik (4) und das Einlassvolumen zwischen den beiden Spiralen (2, 3) aufeinander abgestimmt sind.
Klimaanlage (20) mit zumindest einem Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.