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Die Erfindung betrifft eine Kältekreislauf-Anlage zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10 sowie einen Verdichter zum Betrieb einer derartigen Kältekreislauf-Anlage mit dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Ein derartiger Verdichter für eine Kältekreislauf-Anlage ist aus der
JP 2009 -
013 828 A zu entnehmen.
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Bei Kraftfahrzeugen sind regelmäßig Klimaanlagen eingebaut, die mit Hilfe einer Kältekreislauf-Anlage den Fahrzeuginnenraum klimatisieren. Derartige Anlagen weisen grundsätzlich einen Kreislauf auf, in dem ein Kältemittel geführt ist. Das Kältemittel nimmt an einem Verdampfer Wärme auf, wird mittels eines Verdichters verdichtet und gibt anschließend über einen Wärmetauscher die Wärme wieder ab, bevor es über eine Drossel wieder dem Verdampfer zugeführt wird.
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Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird der Verdichter dabei typischerweise über einen Riemenantrieb angetrieben. Bei dem Verdichter handelt es sich üblicherweise um einen Hubkolbenverdichter, dessen Hubvolumen in Abhängigkeit der Leistungsanforderungen geregelt wird. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen wird der Verdichter demgegenüber von einem Elektromotor angetrieben. Beim Verdichter handelt es sich dabei üblicherweise um einen nicht regelbaren Verdichter.
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Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen wird die Kältekreislauf-Anlage häufig neben der eigentlichen Kühlung auch zur Beheizung des Innenraums nach Art einer Wärmepumpe eingesetzt, da keine oder keine ausreichende Verbrennungsabwärme zur Beheizung des Fahrgastinnenraums zur Verfügung steht. Für eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie ist hierbei beispielsweise aus der
DE 10 2011 109 055 A1 eine Kältekreislauf-Anlage beschrieben, bei der mehrere Verdampfer zuschaltbar sind, um Wärme aus unterschiedlichen Wärmequellen ausnützen zu können.
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Marktübliche Kältemittel sind beispielsweise unter der Bezeichnung R134A oder auch unter der Bezeichnung R1234YF bekannt. Bei deren Verwendung arbeitet die Kältekreislauf-Anlage typischerweise in einen Druckbereich von 1 bis 30 bar. Beide Kältemittel weisen jedoch Nachteile auf. Das Kältemittel R134A ist ein Treibhausgas und soll daher ersetzt werden. Das weniger klimaschädliche R1234YF begegnet jedoch in jüngerer Zeit sicherheitstechnischen Bedenken. Als alternatives Kältemittel wird das Kältemittel R744 (Kohlendioxid) untersucht. Bei diesem Kältemittel arbeitet die Kältekreislauf-Anlage jedoch in deutlich höheren Druckbereichen, beispielsweise im Bereich von 20 bis etwa 150 bar. Daher ist ein deutlich kleineres Hubvolumen des Verdichters erforderlich. Anders als bei den zuvor beschriebenen Kältemitteln erfolgt die Wärmeabgabe hierbei auch nicht durch eine Kondensation sondern im überkritischen Druckbereich. Insgesamt sind die Anforderungen an den Verdichter bei einem derartigen Hochdruckkältemittel hoch.
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Bei elektrischen Verdichtern für oben genannte marktübliche Kältemittel wird heute üblicherweise ein sogenannter Scrollverdichter mit einem Hubvolumen zwischen 20 und 35 cm3 eingesetzt.
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Für ein derartiges Hochdruckkältemittel ist der Einsatz von Scrollverdichtern auch möglich. Dieser ist gekennzeichnet durch zwei Spiralen, die zwischen sich einen einzigen Verdichtungsraum begrenzen. Die zweite Spirale ist dabei exzentrisch zur ersten Spirale angeordnet. Bei hohen Drehzahlen führt diese Bauart zu einem unerwünschten Geräuschniveau. Aufgrund der zu überwindenden hohen Differenzdrücke bei einem Hochdruckkältemittel sind die Anforderungen an die beiden Scrollspiralen sehr hoch, so dass die Herstellung aufwändig ist. Insbesondere ist für das Hochdruckkältemittel nur ein Hubvolumen von 5 • 10 cm3 erforderlich, so dass die erforderliche Produktionsgenauigkeit noch höher sein muss.
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Grundsätzlich ist für den Einsatz in Kältekreislauf-Anlagen auch die Verwendung eines sogenannten Flügelzellenverdichters bekannt. Bei diesem sind auf einer Rotorwelle in Flügelaufnahmen Flügel gleitverschieblich angeordnet. Die Rotorwelle rotiert dabei innerhalb eines nicht kreisrunden, beispielsweise elliptischen Arbeitsraums. Die einzelnen Flügel wirken nach Art von Schiebern und dichten einzelne Teilvolumen des Arbeitsraums radial zur Innenwandung des Gehäuses ab. Aufgrund der beim Betrieb sich einstellenden Zentrifugalkräfte werden die Flügel dabei gegen die Innenwandung zur Abdichtung gepresst.
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Ergänzend zu der Ausnutzung der Fliehkräfte ist aus der
EP 2 025 940 A2 auch eine Verbindung der einzelnen Flügelzellenaufnahmen mit einem zentralen Druckraum beschrieben, welcher beim Starten des Flügelzellenverdichters mit Druck beaufschlagt wird, so dass die einzelnen Flügel bereits beim Startvorgang gegen die Innenwandung gepresst werden.
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In der
JP 2009-013 828 A ist ein Gaskompressor offenbart, der einen Rotor mit darin beweglich gelagerten Flügeln aufweist, wobei in den Flügeln jeweils ein Ölkanal angeordnet ist. Dieser dient der Zuführung von Öl von einer Flügeldruckkammer aus zu einem Auslass des Flügels, wobei der Auslass im Betrieb an der Zylinderinnenwand des Gaskompressors entlangläuft. Durch den in der Flügeldruckkammer herrschenden Öldruck wird der Flügel an die Zylinderinnenwand gedrückt. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Öldrucks öffnet zudem ein im Flügel und entlang des Ölkanals angeordnetes Kugelventil, woraufhin Öl durch die Öffnung ausgelassen und zur Schmierung auf die Innenwand aufgetragen wird.
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Weiterhin ist in der
US 2002 112 492 A1 ein Klimagerät für ein Fahrzeug offenbart. Beschreibungen eines Flügelzellenverdichters finden sich zudem in der
WO 2012/079573 A2 und der
GB 566 420 A .
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kältekreislauf-Anlage geeignet zur Klimatisierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bereitzustellen, bei der der Einsatz eines Hochdruckkältemittels bei einem energieeffizienten sowie geräuscharmen Betrieb ermöglicht ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie einen Verdichter für eine solche Anlage anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kältekreislauf-Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bezüglich eines Verfahrens zum Betreiben einer derartigen Kältekreislauf-Anlage wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Bezüglich eines Verdichters für eine erfindungsgemäße Kältekreislauf-Anlage wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Kältekreislauf-Anlage dient zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, und umfasst einen Kältemittelkreislauf mit einem Strömungspfad für ein Kältemittel sowie einen als Flügelzellenverdichter ausgebildeten Verdichter zur Verdichtung des Kältemittels, der ein Gehäuse mit einem Arbeitsraum und mit einer darin gelagerten Rotorwelle aufweist. An der Rotorwelle sind Flügel angeordnet, die in Flügelaufnahmen der Rotorwelle radial verschieblich gelagert sind. Die Flügelaufnahmen sind mit einem Druckraum verbunden, so dass sie im Betrieb mit einem im Druckraum herrschenden Anpressdruck beaufschlagbar sind. Der Verdichter ist nunmehr derart ausgebildet, dass der im Druckraum herrschende Anpressdruck in Abhängigkeit eines Differenzdrucks zwischen einer Saugseite und einer Druckseite variiert. Der Anpressdruck wird dabei mit zunehmendem Differenzdruck insbesondere erhöht. Da sich der Differenzdruck nach einem Starten des Verdichters erst sukzessive aufbaut und auch von den aktuellen Umgebungsbedingungen abhängt, wird der Anpressdruck daher nach einem Starten zunehmend erhöht.
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Durch die Variation des Anpressdrucks der Flügel gegen die Innenwandung des Arbeitsraums in Abhängigkeit der aktuell herrschenden Druckverhältnisse, also des Differenzdrucks zwischen Saug- und Druckseite beim Verdichter, ist ein energieeffizienter Einsatz eines Hodchdruckkältemittels in der Kältekreislauf-Anlage realisiert.
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Durch die Variation des Anpressdrucks werden Leckströme aufgrund eines zu geringen Anpressdrucks beziehungsweise einer sich daraus ergebenden nicht ausreichenden Abdichtung der Flügel gegen die Innenwandung vorteilhaft und einfach vermieden. Dadurch ist weiterhin sichergestellt, dass die Flügel lediglich bei hohen Differenzdrücken im Kältemittelkreislauf mit einem hohen Anpressdruck beaufschlagt werden, wodurch hohe Reibungskräfte lediglich im Hochdruckbetrieb auftreten. Dadurch ist ein energieeffizienter und geräuscharmer Betrieb der Kältekreislauf-Anlage einerseits sowie ein möglichst leckstromfreier Betrieb andererseits ermöglicht.
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Als Steuer- und Regelgröße für die Variation des Anpressdruckes wird vorzugsweise der Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite mittel- und insbesondere unmittelbar herangezogen. Daneben werden in alternativen Ausführungsvarianten andere Betriebsparameter insbesondere ergänzend herangezogen, in deren Abhängigkeit der Anpressdruck eingestellt wird. Solche Betriebsparameter sind beispielsweise ein Temperaturwert oder auch ein Drehzahlwert. So wird der Anpressdruck der Flügel zusätzlich oder alternativ beispielsweise anhand einer Temperatur im Verdichter, im austretenden Kältemittel oder einer Öltemperatur variiert. Weiterhin wird der Anpressdruck in zweckdienlicher Ausgestaltung anhand der Drehzahl der Rotorwelle variiert. Bei hohen Drehzahlen erzeugen die sich einstellenden Zentrifugalkräfte bereits einen Anpressdruck der Flügel an die Innenwandung, so dass der durch den Druck im Druckraum erzeugte Anteil des Anpressdrucks reduzierbar ist und insbesondere auch reduziert wird. Dadurch werden die Reibungskräfte reduziert, sodass der Betrieb besonders energieeffizient und geräuscharm ist.
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Unter Saugseite ist im nachfolgenden die Niederdruckseite des Kältekreislaufes, insbesondere im Bereich eines Ansaugstutzens des Verdichters, und unter Druck-seite der Hochdruckbereich des Kreislaufes, insbesondere im Bereich eines Auslassstutzens des Verdichters bezeichnet.
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Weiterhin ist der Druckraum mit Kältemittel angefüllt und strömungstechnisch mit dem Strömungspfad des Kältemittels verbunden. Das Kältemittel selbst wird daher in einfacher Weise für die Einstellung des Druckes herangezogen. Eine zusätzliche Druckerzeugungseinheit ist daher nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen. Der Anpressdruck wird daher allein aus dem Kältekreislauf selbst generiert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zur Variation des Anpressdrucks ausschließlich passive Strömungselemente eingesetzt, so dass im Betrieb eine automatische Druckanpassung auf passivem Wege ohne aktive Steuerelemente erfolgt. Grundsätzlich wird bei dieser passiven Variante ausgenutzt, dass der Druck im Kältemittelkreislauf selbst variiert, insbesondere mit zunehmendem Differenzdruck ansteigt. Durch eine einfache, passive strömungstechnische Verbindung zwischen dem Druckraum und geeigneten Strömungsabschnitten des Strömungspfades wird eine automatische Erhöhung des Anpressdrucks bei einer Zunahme des Differenzdrucks erreicht.
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Insbesondere ist der Druckraum in einer konstruktiv besonders vorteilhaften Ausführung über eine Kommunikationsleitung mit dem Arbeitsraum verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kommunikationsleitung insbesondere eine Bohrung, die in den Arbeitsraum mündet.
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In einer geeigneten Alternative ist der Druckraum über eine Kältemittellleitung wahlweise oder in Kombination mit der Saugseite und/oder der Druckseite verbunden. In einer passiven Ausführungsvariante stellt sich hierdurch im Druckraum ein Zwischendruck zwischen dem saugseitigen und dem druckseitigen Druck des Verdichters ein. Zur gezielten Einstellung eines gewünschten Drucks ist vorzugsweise in der Kältemittelleitung zumindest ein insbesondere festes, unveränderbares Drosselelement angeordnet, über das der Massenstrom in der Kältemittelleitung beeinflusst wird.
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In zweckdienlicher Weiterbildung ist eine Einstellung des Drucks im Druckraum mittels aktiv ansteuerbarer Elemente vorgesehen. Insbesondere ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Druckraum über zumindest ein (Regel-) Ventil zur Einstellung des Anpressdrucks strömungstechnisch mit dem Strömungspfad des Kältemittelkreislaufs verbunden. In einer Ausgestaltungsform sind beispielsweise in den Kältemittelleitungen zur Einstellung eines steuerbaren mittleren Druckes zwischen Saug- und Druckseite Ventile eingesetzt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Rotorwelle eine Hohlwelle mit einem Innenhohlraum, der zumindest Teil des Druckraums ist und jeweils mit den Flügelaufnahmen verbunden ist. Die Versorgung des Druckraums mit dem Kältemittel erfolgt daher in einfacher Weise über die Hohlwelle.
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In einer besonders geeigneten Weiterbildung ist die Hohlwelle von einem radialen Teildruckraum umgeben, der mit dem Innenhohlraum beispielsweise mittels Bohrungen verbunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass jeder Flügel mit dem gleichen Anpressdruck beaufschlagt wird.
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In einer geeigneten Ausgestaltung erstreckt sich die Rotorwelle in Axialrichtung und der Arbeitsraum ist durch eine in Axialrichtung bewegliche Dichtungsplatte begrenzt, die vorzugsweise ebenfalls mit einem Anpressdruck beaufschlagbar ist. Auch die axiale Abdichtung des Arbeitsraums ist daher einstellbar. Der auf die Dichtungsplatte wirkende Anpressdruck wird insbesondere ebenfalls in Abhängigkeit des Differenzdruckes nachgeführt. Zweckdienlicherweise wird der gleiche Anpressdruck eingestellt, wie auch für die Flügel. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass sich an die Dichtungsplatte ein axialer Teildruckraum anschließt, der mit dem Innenhohlraum der Hohlwelle verbunden ist. Der Druckraum wird daher durch den axialen Teildruckraum ergänzt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung einen Kältemittelkreislauf für eine Kältekreislauf-Anlage mit einem Verdichter,
- 2 in Draufsicht eine erste Ausführungsvariante des Verdichters,
- 3 in Seitenansicht die erste Ausführungsvariante des Verdichters,
- 4 in Draufsicht eine zweite Ausführungsvariante des Verdichters, und
- 5 in Seitenansicht die zweite Ausführungsvariante des Verdichters.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch der funktionelle Aufbau einer Kältekreislauf-Anlage 2 für den räumlichen Austausch von Wärme Q in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug dargestellt. Die Kältekreislauf-Anlage 2 ist also insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingebaut und dient zur Klimatisierung des Fahrgastraums. Die Kältekreislauf-Anlage 2 umfasst einen geschlossenen Kältemittelkreislauf 4 für ein Kältemittel K, insbesondere ein Hochdruckkältemittel K. Das Hochdruckkältemittel K ist insbesondere das Kältemittel R744 (Kohlendioxid). Das Kältemittel K wird innerhalb des Kältemittelkreislaufs 4 in einem Strömungspfad 6 geführt. Hierunter wird allgemein der Strömungsweg für das Kältemittel K verstanden.
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Der Kältemittelkreislauf 4 umfasst im Wesentlichen einen Verdichter 8, einen Wärmetauscher 10, ein Expansionsorgan 12 und einen Verdampfer 14. Das gasförmige Hochdruckkältemittel K wird mittels des Verdichters 8 komprimiert und anschließend unter Abgabe von Wärme Q am Wärmetauscher 10 gekühlt. Das Expansionsorgan 12 ist eine beispielsweise als Expansionsventil ausgeführte Drossel, über die das verflüssigte Hochdruckkältemittel K entspannt wird. Anschließend wird das Hochdruckkältemittel K in dem nachgeschalteten Verdampfer 14 unter Aufnahme von Wärme Q erwärmt und wieder dem Verdichter 8 zugeführt. Die einzelnen Komponenten 8, 10,12 sowie 14 sind über Rohrleitungen miteinander strömungstechnisch verbunden. Der Strömungspfad 6 wird durch diese Rohrleitungen sowie den Strömungswegen des Kältemittels K innerhalb der Komponenten 8,10,12,14 gebildet.
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Anhand der 2 und 3 wird eine erste Ausführungsvariante des Verdichters 8 näher erläutert. Der Verdichter 8 ist im Wesentlichen nach Art eines Flügelzellenverdichters ausgebildet, und weist ein Gehäuse 16 mit einem Arbeitsraum 18 und mit einer darin gelagerten Rotorwelle 20 auf. An der Rotorwelle 20 sind mehrere gleichmäßig verteilte Flügel 22 angeordnet, die in Flügelaufnahmen 24 der Rotorwelle 20 radial verschieblich gelagert sind.
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Die Flügelaufnahmen 24 sind mit einem Druckraum 26 strömungstechnisch verbunden, so dass sie im Betrieb mit einem im Druckraum 26 herrschenden Anpressdruck P beaufschlagbar sind, wobei der Verdichter 8 derart ausgebildet ist, dass der im Druckraum 26 herrschende Anpressdruck P in Abhängigkeit eines Differenzdrucks DP zwischen einer Saugseite S und einer Druckseite D variiert.
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Unter der Saugseite S ist im nachfolgenden die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 4, insbesondere im Bereich eines verdampferseitigen Ansaugstutzens des Verdichters 8, und unter der Druckseite D der Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes 4, insbesondere im Bereich eines kondensatorseitigen Auslassstutzens des Verdichters 8 bezeichnet. Typischerweise variiert je nach aktueller Betriebssituation der Differenzdruck DP zwischen Saugseite S und Druckseite D. Bei einem geringen Differenzdruck DP reicht ein geringer Anpressdruck P aus, um Leckströme des Hochdruckkältemittels K zwischen den einzelnen Flügeln 22 und einer Innenwandung 28 des Arbeitsraums 18 gering zu halten. Bei höheren Differenzdrücken DP ist ein entsprechend höherer Anpressdruck P erforderlich, um niedrige Leckraten sicherzustellen.
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Die Rotorwelle 20 ist insbesondere als eine Hohlwelle mit einem Innenhohlraum 30 ausgeführt, der zumindest teilweise ein Teil des Druckraums 26 ist und jeweils mit den Flügelaufnahmen 24 strömungstechnisch verbunden ist. Die Rotorwelle 20 ist beispielsweise von fünf radial angeordneten, axialen Teildruckräumen 32 im Bereich der rotorwellenseitigen Flügelenden umgeben, die mit dem Innenhohlraum 30 jeweils mittels einer Bohrung 34 verbunden sind. In den Figuren ist beispielhaft lediglich ein Flügel 22, eine Flügelaufnahme 24, ein Teildruckraum 32 und eine Bohrung 34 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Der Arbeitsraum 18 des Gehäuses 16 weist einen etwa elliptischen Querschnitt auf, wobei die etwa zylinderartige Rotorwelle 20 in axialer Richtung etwa mittig im Arbeitsraum 18 angeordnet ist. Der Durchmesser der Rotorwelle 20 ist etwa gleich der Länge der Nebenachse des elliptischen Arbeitsraums 18. Insbesondere ist die Rotorwelle 20 derart bemessen, dass sie zumindest teilweise im Bereich der Nebenachsen an der Innenwandung 28 des Arbeitsraums 18 anliegt. Dadurch ist der Arbeitsraum 18 in zwei im Wesentlichen sichelförmige Arbeitskammern 36 unterteilt.
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Die Arbeitskammern 36 umfassen in den benachbarten Ellipsensektoren des Arbeitsraums 18 einen saugseitigen Ansaugkanal 38 sowie einen druckseitigen Auslass 40, die mit dem Kältemittelkreislauf 4 strömungstechnisch gekoppelt sind. In den Figuren sind beispielhaft lediglich ein Ansaugkanal 38 und ein Auslass 40 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Die hohlwellenartige Rotorwelle 20 umfasst fünf radial angeordnete Führungsnuten als Flügelaufnahmen 24, in denen die Flügel 22 als schaufelartige Drehschieber radial verschieblich gelagert sind. Die nutenartigen Flügelaufnahmen 24 fluchten radial zum Innenhohlraum 30 hin in die etwa kreisrunden Teildruckräume 32. Im Betrieb der Kältekreislauf-Anlage 2 unterteilen die Flügel 22 die Arbeitskammern 36 in mehrere Teilvolumen, in denen das Hochdruckkältemittel K entlang der sichelförmigen Arbeitskammern 36 geführt und dabei durch die Verjüngung der Arbeitskammer 36 zum Auslass 40 hin verdichtet wird.
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Die Flügelaufnahmen 24 sind im Bereich der rotorwellenseitigen Flügelenden durch die Teildruckräume 32, den Bohrungen 34 und dem Innenhohlraum 30 strömungstechnisch zur Beaufschlagung der Flügel 22 mittels des pneumatischen Anpressdrucks P gekoppelt. Durch den Anpressdruck P werden die Flügel 22 aus den Flügelaufnahmen 24 heraus, radial an die Innenwandung 28 des Arbeitsraums 18 gepresst. Die innenwandseitigen Flügelenden liegen im angepressten Zustand im Wesentlichen schlüssig an der Innenwandung 28 an und sind vorzugsweise abgerundet, sodass die Flügelenden im Betrieb leichter an der Innenwandung 28 abgleiten und somit weniger Reibungsverluste auftreten.
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Die Rotorwelle 20 erstreckt sich im Wesentlichen in Axialrichtung und der Arbeitsraum 18 ist durch eine in Axialrichtung bewegliche Dichtungsplatte 42 begrenzt (vgl. 3). Die Dichtungsplatte 42 ist im Betrieb ebenfalls mit dem Anpressdruck P beaufschlagbar. An die Dichtungsplatte 42 schließt sich hierzu ein axialer Teildruckraum 44 an, der mit dem Innenhohlraum 30 strömungstechnisch verbunden ist. Der Druckraum 26 umfasst im Wesentlichen den Innenhohlraum 30, die Teildruckräume 32, die Bohrungen 34 und den Teildruckraum 44. Die Rotorwelle 20 ist mit einem nicht näher dargestellten elektrischen Antrieb gekoppelt und weist ein unterhalb der Dichtungsplatte 42 angeordnetes Lager 46 zur Verbesserung der Laufeigenschaften auf.
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Gemäß einer ersten, in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsvariante ist der Druckraum 26 über zwei Kältemittelleitungen 48A, B mit dem Strömungspfad 6 des Kältemittelkreislaufs 4 verbunden, so dass der Druckraum 26 im Betrieb durch das Hochdruckkältemittel K angefüllt ist. Die eine Kältemittelleitung 48A ist dabei mit der Druckseite D und die andere Kältemittelleitung 48B ist mit der Saugseite S verbunden. Die beiden Kältemittelleitungen 48A,B sind dabei insbesondere in den Verdichter 8 integriert und münden vorzugsweise im Bereich eines Saugstutzens in die Saugseite S und im Bereich eines Druckstutzens in die Druckseite D. Zur Steuerung oder Regelung des Anpressdrucks P stehen verschieden Möglichkeiten zur Verfügung.
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Gemäß einer ersten, nicht dargestellten Variante wird der Druck im Druckraum 26 automatisch ohne aktive Steuerelemente eingestellt. Hierzu ist über die Kälteleitungen 48A,B ein offener Strömungsweg von der Saugseite S bzw. Druckseite D zum Druckraum 26 ausgebildet. Dadurch stellt sich innerhalb des Druckraums 26 ein mittlerer Druck zwischen dem Druck auf der Saugseite S und der Druckseite D automatisch ein. Dieser hängt daher von dem Differenzdruck DP ab, so dass der Druck im Druckraum 26 und damit der Anpressdruck P automatisch in Abhängigkeit des aktuellen Differenzdrucks DP eingestellt wird. Es bedarf daher keiner aktiven Regelelemente zur Einstellung des Anpressdrucks.
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Alternativ zu dieser passiven Arbeitsweise wird der Anpressdruck P aktiv gesteuert. Hierzu sind - wie im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 dargestellt - Ventile 50,52 in die Kältemittelleitungen 48A,B eingesetzt, die zur Einstellung des Drucks im Druckraum 26 steuerbar sind. Die beiden Ventile 50, 52 bilden insoweit Drosselstellen aus. Beispielsweise ist zumindest das eine Ventil als ein Regelventil 50 ausgebildet. Das Regelventil 50 ist mittels einer nicht näher dargestellten elektronischen Steuereinheit einstellbar. Das Regelventil 50 kann als elektrisches, hydraulisches oder thermostatisches Ventil ausgeführt sein. Die Steuereinheit ist in dieser Ausführung zumindest im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller mit einer darauf implementierten Steuer- oder Auswertesoftware gebildet. Über das Regelventil 50 wird allgemein der Anpressdruck P in Abhängigkeit von Betriebsparametern eingestellt, grundsätzlich jedoch so, dass er mit zunehmendem Differenzdruck DP zunimmt.
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Die beiden Ventile 50, 52 sind alternativ als feste, unveränderliche Drosselstellen ausgebildet, so dass wieder eine passive Arbeitsweise verwirklicht ist. Durch passende Auslegung dieser festen Drosselstellen wird das Optimum zwischen möglichst kleinem Gasstrom für eine hohe Effizienz und hohem Gasstrom für eine schnelle Druckanpassung eingestellt.
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Insbesondere besteht dadurch die Möglichkeit, den Druck im Druckraum 26 drehzahlabhängig nachzuregeln, da durch die Fliehkräfte bereits ein Anpress-Teildruck erzeugt wird. Hierzu erfasst die Steuereinheit beispielsweise während des Betriebs mittels Drucksensoren im Bereich des Druckraumes 26 den Anpressdruck P, sowie ein der Drehzahl der Rotorwelle 20 proportionales Regelsignal. Die Steuereinheit regelt den Öffnungsgrad des Regelventils 50 anhand der erfassten Druck- und Drehzahlwerte. Bei hohen Drehzahlen der Rotorwelle 20 erzeugen die sich einstellenden Zentrifugalkräfte bereits einen Anpressdruck der Flügel 22 an die Innenwandung 28, so dass der druckraumseitige pneumatische Anpressdruck P mittels einer Verringerung des Öffnungsgrades des Regelventils 50 ohne Zunahme von Leckströmen reduzierbar ist.
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Anhand der 4 und 5 wird im nachfolgenden eine weitere Ausführungsform des Verdichters 8 näher erläutert. In dieser Ausführungsform ist wiederrum eine rein passiv wirkende Einstellung des Anpressdrucks vorgesehen und es sind lediglich passive Strömungselemente zur Variation des Anpressdrucks P eingesetzt. Im Betrieb erfolgt eine automatische Druckanpassung auf rein passivem Wege ohne eine aktive Steuereinheit. Hierzu ist der Druckraum 26 über zumindest eine Kommunikationsleitung 54 direkt mit der Arbeitskammer 36 strömungstechnisch verbunden. Der in der Arbeitskammer 36 herrschende Druck wird daher unmittelbar in die Druckkammer 26 übertragen. Über die Wahl der Mündungsstelle der Kommunikationsleitung 54 wird dabei das Druckniveau eingestellt. Je näher die Mündungsstelle an der Auslassseite angeordnet ist, desto höher ist der sich einstellende Druck.
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In einer einfachen Ausführungsvariante ist die Kommunikationsleitung 54 als eine einfache Bohrung ausgebildet, die insbesondere in der Dichtungsplatte 42 ausgebildet ist und vom Arbeitsraum 18 in den Teildruckraum 44 mündet. In dieser Ausführungsvariante entfällt die Kältemittelleitung 48.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kältekreislauf-Anlage
- 4
- Kältemittelkreislauf
- 6
- Strömungspfad
- 8
- Verdichter
- 10
- Kondensator
- 12
- Expansionsorgan
- 14
- Verdampfer
- 16
- Gehäuse
- 18
- Arbeitsraum
- 20
- Rotorwelle
- 22
- Flügel
- 24
- Flügelaufnahme
- 26
- Druckraum
- 28
- Innenwandung
- 30
- Innenhohlraum
- 32
- Teildruckraum
- 34
- Bohrung
- 36
- Arbeitskammer
- 38
- Ansaugkanal
- 40
- Auslass
- 42
- Dichtungsplatte
- 44
- Teildruckraum
- 46
- Lager
- 48A,B
- Kältemittelleitung
- 50
- Regelventil
- 52
- Ventil
- 54
- Kommunikationsleitung
- K
- Kältemittel
- Q
- Wärme
- P
- Anpressdruck
- S
- Saugseite
- D
- Druckseite
- DP
- Differenzdruck
