DE102016113057B4 - Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit einer Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms sowie Verfahren zum Separieren des Steuermassenstroms - Google Patents

Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit einer Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms sowie Verfahren zum Separieren des Steuermassenstroms Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (1, 1', 1'') zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, aufweisend ein Gehäuse (2) mit einer Saugdruckkammer (8) und einer Hochdruckkammer (9), einen Kompressionsmechanismus sowie eine im Bereich der Hochdruckkammer (9) ausgebildete Anordnung (10, 10', 10") zum Separieren eines Steuermassenstroms von einem Fluid-Schmiermittel-Gemisch zum Steuern des Kompressionsmechanismus, wobei die Anordnung (10, 10', 10") mit einem ersten Strömungskanal (11, 11', 11") zum Ableiten eines Hauptmassenstroms des verdichteten Fluid-Schmiermittel-Gemischs aus der Vorrichtung (1, 1', 1") und einem zweiten Strömungskanal (12, 12', 12") zum Leiten des Steuermassenstroms innerhalb der Vorrichtung (1, 1', 1") zur Saugdruckkammer (8) derart ausgebildet und angeordnet ist, einen Massenstrom des gasförmigen Fluids als Steuermassenstrom zu separieren, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (12, 12', 12") in Strömungsrichtung des Steuermassenstroms in einen Hochdruckkanal (13, 13', 13") mündend ausgebildet ist und am Auslass des Hochdruckkanals (13, 13', 13") ein erstes Entspannungsorgan (14) zum Entspannen des Steuermassenstroms von einem Niveau eines Hochdrucks auf ein Niveau eines Mitteldrucks angeordnet ist, wobei der Steuermassenstrom in einen Bereich des Gehäuses (2) geleitet wird, welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Saugdruckkammer und einer Hochdruckkammer, einen Kompressionsmechanismus sowie eine im Bereich der Hochdruckkammer ausgebildete Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms von einem Fluid-Schmiermittel-Gemisch zum Steuern des Kompressionsmechanismus auf. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Separieren eines Steuermassenstroms in einer Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit einer Anordnung zum Separieren des Steuermassenstroms.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter, beispielsweise für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Verdichten und Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf werden zum Abscheiden von Öl aus einem Kältemittel-Öl-Gemisch mit Ölabscheidern ausgebildet. Die Ölabscheider sind dabei auf der Hochdruckseite des Verdichters angeordnet, um nach der Verdichtung des Kältemittels die für den Verdichter notwendige Ölmenge abzuscheiden und verdichterintern auf die Niederdruckseite, auch als Saugseite bezeichnet, zurück zu führen. Das abgeschiedene Öl wird folglich innerhalb des Verdichters vom Auslass des Verdichters wieder zum Einlass gefördert. Herkömmliche Ölabscheider der Verdichter, insbesondere der Kältemittelverdichter, sind als Prallabscheider oder Zentrifugalabscheider ausgebildet, um bei einem hinreichenden Abscheidegrad in einer kompakten Bauform lediglich geringe Kosten zu verursachen.
  • Die zum Stand der Technik gehörenden Verdichter weisen einen Kompressionsmechanismus zum Ansaugen, Verdichten und Auslassen von Kältemittel einschließlich des Öls zur Schmierung sowie einen Ölabscheider zum Trennen des Öls aus dem verdichteten Kältemittel auf. Der Kompressionsmechanismus und der Ölabscheider sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Bei der US 6 511 530 B2 weist der Ölabscheider eine im Gehäuse ausgebildete Trennkammer mit einer Einlassöffnung für das Kältemittel-Öl-Gemisch und einer Auslassöffnung für das Öl auf. Innerhalb der Trennkammer ist ein Trennrohr angeordnet. Der Verdichter weist zudem im Bereich des Ölabscheiders ein Auslassrohr für das Kältemittel auf, welches fluiddicht mit dem Gehäuse des Verdichters verbunden ist. Das aus dem Verdichter durch das Trennrohr abgeleitete gasförmige Kältemittel wird durch das Auslassrohr hindurch aus dem Verdichter abgeleitet. Das Öl wird in einer Kammer gesammelt.
  • Aus der DE 10 2012 104 045 A1 geht ein Kältemittelscrollverdichter für Kraftfahrzeugklimaanlagen mit einer Ölrückführung vom Hochdruckstrang des Kältemittelkreislaufes zum Saugraum hervor. Der Verdichter weist eine Statorspirale und eine sich relativ zur Statorspirale oszillierend bewegende Rotorspirale sowie eine Mitteldruckkammer zur Erzeugung einer axialen Kraft zur Dichtung der Spiralen gegeneinander auf. Zudem ist der Verdichter mit einem Mitteldruckkanal ausgebildet, über welchen gasförmiges Kältemittel aus dem Verdichtungsprozess zwischen den Spiralen direkt in die Mitteldruckkammer geleitet wird. Die Mitteldruckkammer wird somit direkt aus den sich zwischen den Spiralen bildenden Verdichtungskammern mit Kältemittel beaufschlagt, wobei sich der Druck in der Mitteldruckkammer als ein mittlerer Druck in den betreffenden Bereichen der Verdichtungskammern der Spiralen einstellt. Das Öl wird vom Hochdruckstrang des Kältemittelkreislaufes mittels eines Ölrückführkanals zur Mitteldruckkammer und mittels eines Ölabsaugkanals von der Mitteldruckkammer zum Saugraum des Kältemittelscrollverdichters zurückgeführt. In der Mitteldruckkammer mischt sich das gasförmige, aus der Verdichtungskammer in die Mitteldruckkammer einströmende Kältemittel mit dem Öl, sodass das Kältemittel-Öl-Gemisch durch den Ölabsaugkanal zum Saugraum strömt.
  • Die WO 2015/0029845 A1 offenbart einen Ölabscheider für einen Verdichter. Der Ölabscheider weist eine zylindrische Trennkammer mit einer Mantelfläche auf, welche wiederum mit einer Gaseintrittsöffnung ausgebildet ist. Die Gaseintrittsöffnung ist tangential zur Wandung angeordnet. Das Öl setzt sich am unteren Ende der im Wesentlichen senkrecht ausgerichteten Trennkammer ab, während das verdichtete Gas aus dem distal zum unteren Ende gegenüberliegenden oberen Ende aus der Trennkammer ausströmt.
  • Die Wirkungsweise der Prallabscheider oder der Zentrifugalabscheider beruht auf dem Unterschied der Dichten der zu trennenden Fluide, wie des flüssigen Öls und des gasförmigen Kältemittels. Während des Betriebs eines Kältemittelverdichters in der mobilen Anwendung kommt es zu Abweichungen vom initiierten Wirkprinzip des Prallabscheiders oder des Zentrifugalabscheiders. Einerseits führen jegliche inneren Verschmutzungen des Kältemittelkreislaufs, welche durch den Betrieb oder durch Produktionsrückstände der diversen Komponenten des Kältemittelkreislaufs verursacht werden, zu Partikeln, welche eine größere Dichte aufweisen als das gasförmige Kältemittel. Die Partikel werden dabei aufgrund der größeren Dichte als das gasförmige Kältemittel gemeinsam mit dem Öl abgeschieden und würden verdichterintern auf die Saugseite des Verdichters zurückgeführt werden. Die verdichterinterne Zirkulation von Partikeln ist zu vermeiden, um die internen Komponenten des Verdichters, wie Lager, Dichtungen, Ventile und andere bewegte Elemente, beispielsweise die Spiralen bei Scrollverdichtern oder die Kolben innerhalb der Zylinder bei Hubkolbenverdichtern, nicht zu beschädigen oder zu zerstören. Um die Partikel zu filtern beziehungsweise abzulagern, ist zumindest eine möglichst große Filterfläche und wenn möglich ein strömungsberuhigter Bereich für die Ablagerung vorzusehen. Die Maschenweite des Filters ist dabei einerseits von der Größe der minimalen Strömungsquerschnitte innerhalb des Verdichters abhängig, um den Strömungsquerschnitt effektiv vor einer Verblockung durch die Partikel zu schützen. Andererseits ist die Maschenweite derart gering zu wählen, dass die durchströmenden Partikel den kritischen Komponenten, wie den Lagern, den Dichtungen und den Spiralen bei Scrollverdichtern keinen Schaden zufügen können. Da der interne Rückfluss des Steuermassenstroms für den Kältemittelverdichter funktionsrelevant ist, muss zusätzlich sichergestellt werden, dass der maximal abgeschiedene Partikelstrom nicht zu einer Verblockung der Filterfläche führt und damit den Verdichter beschädigt.
  • Eine weitere Abweichung von der initiierten Wirkweise ist der Betrieb des Kältemittelverdichters mit einem Anteil an flüssigem Kältemittel am Eintritt des Verdichters. Je nach Höhe des Anteils an flüssigem Kältemittel und der Stömungsgeschwindigkeit innerhalb des Verdichters tritt flüssiges Kältemittel als Tropfen in den Ölabscheider ein. Aufgrund des Dichteunterschieds zwischen flüssigem und gasförmigem Kältemittel werden auch die Tropfen abgeschieden und mit dem abgeschiedenen Öl intern zurückgeführt. Der interne Steuermassenstrom ist durch die Querschnitte der internen Düsen und Kanäle konstruktionsbedingt begrenzt. Dadurch führt ein abgeschiedener Anteil flüssigen Kältemittels im Steuermassenstrom gleichzeitig zu einer Reduktion des zurückfließenden Öls. Zudem hat das flüssige Kältemittel eine ölauswaschende Wirkung beispielsweise auf die Lager sowie die Spiralen bei Scrollverdichtern und kann sich nachteilig auf die Lebensdauer des Verdichters auswirken.
  • In der US 2009/0110570 A1 wird ein Scrollverdichter mit Bypassöffnungen offenbart, welche mit Verdichtungskammern verbunden sind, um einen Teil eines verdichteten Kältemittels zu umgehen und somit eine Kapazität des Verdichters, einer Mitteldruckkammer und eines Ventils anzupassen. Mit der benachbarten Anordnung der Bypassöffnungen kann die Betriebskapazität des Verdichters mittels lediglich eines Bypassventils variiert werden.
  • Aus der US 2012/0009076 A1 geht ein Scrollverdichter mit einem Ventil und einer Ventilfeder hervor, welche als ein Modul in einem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse ist direkt mit einer festen Spirale gekoppelt. Zudem weist das Gehäuse eine Dichtungsvertiefung auf, welche mit einer Mitteldruckkammer verbunden ist, sodass zwischen einer Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer ein Dämpfungsraum ausgebildet ist.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtern wird ein sogenannter Steuermassenstrom verdichterintern von der Hochdruckseite zur Saugseite zurückgeführt. Infolge eines Anteils an gasförmigem Kältemittel im Steuermassenstrom führt die Rückführung zur Saugseite zu einem volumetrischen Verlust des Verdichters. Des Weiteren wird durch den Steuermassenstrom auch eine Wärmemenge auf die Saugseite des Verdichters zurückgeführt, welche zu einer erhöhten Temperatur des Kältemittels beim Eintritt in den Verdichter beziehungsweise zu einer erhöhten Anfangstemperatur der Verdichtung führt. Durch die erhöhte Eintrittstemperatur wird bei gleichbleibendem Druck die Dichte des angesaugten Kältemittels geringer, was ebenfalls die volumetrische Effizienz des gesamten Verdichters verringert und eine erhöhte Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters bewirkt. Die erhöhte Heißgastemperatur führt zudem zu einer höheren Belastung der Komponenten des Kältemittelkreislaufs.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdichter bereitzustellen, bei welchem ein Steuermassenstrom verdichterintern von der Hochdruckseite zur Saugseite zurückgeführt wird. Der Steuermassenstrom sollte aufgrund des Anteils an gasförmigem Fluid dabei so gering wie möglich sein, um einerseits den volumetrischen Verlust des Verdichters und andererseits die auf die Saugseite übertragene Wärmemenge zu minimieren. Die volumetrische Effizienz des gesamten Verdichters soll maximal sein. Die Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters ist zu minimieren. Zudem soll konstruktiv das Risiko einer Verblockung der inneren Steuerkanäle durch Partikel minimiert und die Rückführung von flüssigem Kältemittel innerhalb des Verdichters vermieden werden. Der Verdichter soll eine einfache Konstruktion aus einer minimalen Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf aufweisen. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, die Wartung, die Montage und den Betrieb minimal sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Saugdruckkammer und einer Hochdruckkammer, einen Kompressionsmechanismus sowie eine im Bereich der Hochdruckkammer ausgebildete Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms von einem Fluid-Schmiermittel-Gemisch zum Steuern des Kompressionsmechanismus auf.
  • Die Anordnung ist mit einem ersten Strömungskanal zum Ableiten eines Hauptmassenstroms des verdichteten Fluid-Schmiermittel-Gemischs aus der Vorrichtung und einem zweiten Strömungskanal zum Leiten des Steuermassenstroms innerhalb der Vorrichtung zur Saugdruckkammer derart ausgebildet und angeordnet, um einen Massenstrom des gasförmigen Fluids als Steuermassenstrom zu separieren.
  • Nach der Konzeption der Erfindung ist der zweite Strömungskanal in Strömungsrichtung des Steuermassenstroms in einen Hochdruckkanal mündend ausgebildet. Am Auslass des Hochdruckkanals ist ein erstes Expansionsorgan, beispielsweise eine Hochdruckdüse oder ein Ventil, zum Entspannen des Steuermassenstroms von einem Niveau eines Hochdrucks auf ein Niveau eines Mitteldrucks angeordnet. Dabei wird der Steuermassenstrom in einen Bereich des Gehäuses geleitet, welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Bereich des Gehäuses, welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist, eine Durchgangsöffnung zur Saugdruckkammer aufweist. Zudem ist innerhalb der Durchgangsöffnung ein zweites Expansionsorgan, beispielsweise eine Niederdruckdüse oder ein Ventil, zum Entspannen des Steuermassenstroms vom Niveau des Mitteldrucks auf ein Niveau eines Niederdrucks angeordnet. Dabei entspricht das Niveau des Niederdrucks dem Niveau des Saugdrucks in der Saugdruckkammer der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels.
  • Der Kompressionsmechanismus der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids ist bevorzugt als Scrollverdichter mit einem unbeweglichen Stator und einen beweglichen Orbiter sowie einer Mitteldruckkammer ausgebildet. Dabei weisen der Stator und der Orbiter jeweils eine Grundplatte und eine sich von der Grundplatte erstreckende, spiralförmig ausgebildete Wandung auf. Die Wandungen sind ineinandergreifend angeordnet. Zudem ist die Mitteldruckkammer auf einer Rückseite der Grundplatte des beweglichen Orbiters ausgebildet und mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt. Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Kompressionsmechanismus der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids als ein Kolbenverdichter mit variablem Hubvolumen ausgebildet.
  • Der Steuermassenstrom weist als Massenstrom des gasförmigen Fluids vorteilhaft kein Schmiermittel oder lediglich einen minimalen Anteil an Schmiermittel und kein flüssiges Kältemittel oder lediglich einen minimalen Anteil an flüssigem Kältemittel sowie keine festen Partikel auf. Die Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids ist bevorzugt als ein Kältemittelverdichter, insbesondere ein elektrisch angetriebener Kältemittelverdichter, ausgebildet.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Strömungskanal der Anordnung zum Abzweigen des Steuermassenstroms innerhalb eines strömungsberuhigten Bereichs der Hochdruckkammer in die Hochdruckkammer mündend angeordnet. Unter einem strömungsberuhigten Bereich ist dabei ein Bereich ohne nennenswerte Verwirbelungen innerhalb der Strömung zu verstehen, wobei sich beispielsweise Schwebeteilchen als feste Partikel aufgrund der Schwerkraft bereits abgesetzt haben und innerhalb des strömungsberuhigten Bereichs ein im Wesentlichen reines gasförmiges Fluid vorliegt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Strömungskanäle innerhalb der Anordnung zum Separieren des Steuermassenstroms vom Fluid-Schmiermittel-Gemisch voneinander getrennt ausgebildet und sind sich in einer Längsrichtung der Anordnung erstreckend ausgerichtet. Die Strömungsrichtungen von Hauptmassenstrom und Steuermassenstrom sind bevorzugt entgegengesetzt zueinander gerichtet.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Anordnung zum Separieren des Steuermassenstroms vom Fluid-Schmiermittel-Gemisch eine zylindrische Form, insbesondere eine kreiszylindrische Form, auf.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung zum Separieren des Steuermassenstroms im Bereich eines Auslasses aus der Hochdruckkammer angeordnet. Dabei ist der zweite Strömungskanal vom ersten Strömungskanal derart und in einem Winkel abzweigend ausgebildet, dass der Steuermassenstrom beim Einströmen in den zweiten Strömungskanal um einen Winkel von mindestens 90° umgelenkt wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs verwendet.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Separieren eines Steuermassenstroms in einer Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit einer Anordnung zum Separieren des Steuermassenstroms gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - Auslassen eines auf Hochdruck verdichteten Fluid-Schmiermittel-Gemischs in eine Hochdruckkammer,
    • - Ableiten eines Hauptmassenstroms des Fluid-Schmiermittel-Gemischs durch einen ersten Strömungskanal aus der Vorrichtung sowie
    • - Abscheiden eines Steuermassenstroms vom Hauptmassenstrom und Ableiten des Steuermassenstroms durch einen zweiten Strömungskanal innerhalb der Vorrichtung zu einer Saugdruckkammer, wobei als Steuermassenstrom gasförmiges Fluid ohne feste Partikel abgeschieden wird.
  • Dabei wird der Steuermassenstrom beim Durchströmen eines ersten Entspannungsorgans, beispielsweise einer Hochdruckdüse oder eines Ventils, von einem Niveau eines Hochdrucks auf ein Niveau eines Mitteldrucks entspannt und in einen Bereich eines Gehäuses geleitet, welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist. Beim Durchströmen eines zweiten Entspannungsorgans, beispielsweise einer Niederdruckdüse oder eines Ventils, wird der Steuermassenstrom anschließend vom Niveau des Mitteldrucks auf ein Niveau eines Niederdrucks entspannt und in eine Saugdruckkammer der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids geleitet.
  • Der Steuermassenstrom weist als Massenstrom des gasförmigen Fluids zudem vorteilhaft kein Schmiermittel oder lediglich einen minimalen Anteil an Schmiermittel und kein flüssiges Kältemittel oder lediglich einen minimalen Anteil an flüssigem Kältemittel auf.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - Einsatz von kleinen und robusten Entspannungsorganen zum Entspannen des Steuermassenstroms über die gesamte Lebensdauer,
    • - Einsatz von kleinen Filterflächen mit geringen Maschenweiten zum Schutz der Entspannungsorgane, da die Beladung des Steuermassenstroms mit Partikeln minimiert und damit eine Verblockung ausgeschlossen ist,
    • - Vermeidung von flüssigem Kältemittel im Steuermassenstrom und der damit verbundenen Auswaschung von Schmiermittel aus Lagern, welche beispielsweise in einer Mitteldruckkammer angeordnet sind,
    • - maximale Effizienz beim Betrieb des Verdichters, insbesondere bei geringen Drehzahlen und hohen Druckdifferenzen, da der Steuermassenstrom als Verlustmassenstrom durch die minimalen Querschnitte der Entspannungsorgane, wie der Düsen oder Ventile, minimal ist,
    • - zudem lediglich minimaler Wärmeeintrag in das Sauggas, da der Energiegehalt im Steuermassenstrom durch einen geringen Ölanteil minimal ist und
    • - lediglich minimale Erwärmung des Sauggases und maximale Erweiterung der Betriebsgrenzen bis zum Erreichen der Heißgastemperaturgrenze,
    • - einfache Konstruktion und Fertigung aus einer minimalen Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf sowie
    • - minimale Kosten für Herstellung, Montage und Betrieb.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
    • 1: einen Verdichter, insbesondere einen Scrollverdichter, mit einer Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms in Schnittdarstellung sowie
    • 2: schematisch die Strömung des Steuermassenstroms durch ein als eine Düse ausgebildetes Entspannungsorgan,
    • 3: eine Detailansicht einer ersten alternativen Ausgestaltungsform der Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms in Schnittdarstellung sowie
    • 4: eine Detailansicht einer zweiten alternativen Ausgestaltungsform der Anordnung zum Separieren eines Steuermassenstroms in Schnittdarstellung.
  • 1 zeigt einen Verdichter 1 mit einer Anordnung 10 zum Separieren eines Steuermassenstroms, im Weiteren auch als Separator 10 bezeichnet, in Schnittdarstellung. Der Verdichter 1 weist zudem einen Kompressionsmechanismus zum Ansaugen, Verdichten und Auslassen von Kältemittel als gasförmiges Fluid einschließlich des Öls als Schmiermittel zur Schmierung auf. Der Kompressionsmechanismus und der Separator 10 sind innerhalb eines Gehäuses 2 angeordnet. Der Verdichter 1 ist als Scrollverdichter mit einem hinteren Gehäuseelement 2a, einem mittleren Gehäuseelement 2b sowie einem vorderen Gehäuseelement 2c ausgebildet, welche im montierten Zustand des Verdichters 1 das Gehäuse 2 bilden. Der Kompressionsmechanismus des Verdichters 1 weist einen unbeweglichen Stator 3 sowie einen beweglichen Orbiter 4 jeweils mit einer Grundplatte und einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung auf. Die Grundplatten sind derart zueinander angeordnet, dass die Wandungen ineinander greifen. Der unbewegliche Stator 3 ist innerhalb des Gehäuses 2 oder als ein Bestandteil des Gehäuses ausgebildet, der bewegliche Orbiter 4 ist mittels eines Exzenterantriebs an einer rotierenden Antriebswelle 5 gekoppelt und wird auf einer kreisförmigen Bahn geführt. Die Antriebswelle 5 ist mit mindestens einem Radiallager 7 am mittleren Gehäuseelement 2b und in einem nicht dargestellten zweiten Radiallager am vorderen Gehäuseelement 2c des Gehäuses 2 abgestützt. Der bewegliche Orbiter 4 ist über ein Radiallager 6 an der Antriebswelle 5 gehaltert angeordnet.
  • Bei der Bewegung des Orbiters 4 berühren sich die spiralförmigen Wandungen von Stator 3 und Orbiter 4 an mehreren Stellen und bilden innerhalb der Wandungen mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume aus, wobei benachbart angeordnete Arbeitsräume unterschiedlich große Volumen begrenzen. In Reaktion auf die Bewegung des Orbiters 4 relativ zum Stator 3 werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume verändert. Die Volumina der Arbeitsräume werden zur Mitte der spiralförmigen Wandungen hin zunehmend kleiner. Das zu verdichtende gasförmige Fluid, insbesondere das gasförmige Kältemittel mit dem Öl, wird als Kältemittel-Öl-Gemisch durch eine Ansaugkammer 8, aufgrund des Drucks des Kältemittels auch als Saugdruckkammer 8 bezeichnet, in den Arbeitsraum angesaugt, durch die Bewegung des Orbiters 4 relativ zum Stator 3 verdichtet und in eine Ausstoßkammer 9, aufgrund des Drucks des Kältemittels auch als Hochdruckkammer 9 bezeichnet, ausgelassen.
  • Das in der Hochdruckkammer 9 auf Niveau des Hochdrucks vorliegende Kältemittel-Öl-Gemisch wird durch einen Strömungskanal 11, welcher den Hauptmassenstrom des gasförmigen Kältemittels beziehungsweise des Kältemittel-Öl-Gemischs leitet, in Strömungsrichtung 18 aus dem Verdichter 1 gefördert. Der Hauptmassenstrom des Kältemittel-Öl-Gemischs strömt folglich von der Hochdruckkammer 9 durch den in der Anordnung 10 zum Separieren ausgebildeten Strömungskanal 11 aus dem Verdichter 1 in den Kältemittelkreislauf. Der Strömungskanal 11 erstreckt sich dabei in Längsrichtung des bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Separators 10 und mündet an einem ersten Ende des Separators 10 in eine im hinteren Gehäuseelement 2a, welches aufgrund des Druckniveaus des Kältemittels auch als Hochdruckgehäuse bezeichnet wird, ausgebildete Öffnung.
  • Der Verdichter 1 weist zudem einen als Gegendruckkammer 16, aufgrund des Druckniveaus innerhalb des Verdichters 1 auch als Mitteldruckkammer 16 bezeichnet, ausgebildeten Bereich auf, welcher auf der Rückseite der Grundplatte des beweglichen Orbiters 4 ausgebildet ist und den Orbiter 4 gegen den unbeweglichen Stator 3 drückt. Die Gegendruckkammer 16 wird mit einem Mitteldruck beziehungsweise einem Zwischendruck zwischen dem Saugdruck und dem Hochdruck beaufschlagt. Die aus den unterschiedlichen Drücken resultierende Kraft wirkt in axialer Richtung und die Wandungen des Orbiters 4 sowie des Stators 3 werden an den axial aufeinander liegenden Stirnseiten gegeneinander gedrückt und zueinander abgedichtet, um eine radiale Querströmung des gasförmigen Kältemittels zu minimieren.
  • Die Anordnung 10 zum Separieren weist neben dem ersten Strömungskanal 11 zum Ableiten des Kältemittel-Öl-Gemischs aus dem Verdichter 1 in den Kältemittelkreislauf auch einen zweiten Strömungskanal 12 zum verdichterinternen Ableiten eines Steuermassenstroms auf. Der zweite Strömungskanal 12 mündet dabei senkrecht und derart in einem strömungsberuhigten Bereich in die Hochdruckkammer 9, dass insbesondere gasförmiges Kältemittel in senkrechter Strömungsrichtung aus der Hochdruckkammer 9 in den Strömungskanal 12 einströmt. Der strömungsberuhigte Bereich ist beispielsweise von den Auslassöffnungen der Arbeitsräume des Kompressionsmechanismus abgewandt angeordnet. Die Mündung des Strömungskanals 12 ist zudem in Richtung der Schwerkraft im mittleren bis oberen Bereich der Hochdruckkammer 9 ausgebildet, sodass bevorzugt ausschließlich gasförmiges Kältemittel ohne oder lediglich mit minimalem Ölanteil und ohne oder lediglich mit minimalem Anteil an flüssigem Kältemittel sowie ohne weitere Partikel in den Strömungskanal 12 eingeleitet werden. Das Öl und mögliche Schwebepartikel setzen sich im unteren Bereich der Hochdruckkammer 9 ab und/oder werden durch den ersten Strömungskanal 11 aus dem Verdichter 1 abgeleitet.
  • Der zweite Strömungskanal 12 erstreckt sich vorwiegend in Längsrichtung des bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Separators 10, wobei die Mündungsöffnung in den Hochdruckbereich 9 senkrecht zur Längsrichtung angeordnet ist, und mündet an einem zum ersten Ende des Separators 10 distal ausgebildeten zweiten Ende in einen Hochdruckkanal 13. Im Bereich der Mündung des zweiten Strömungskanals 12 in den Hochdruckbereich 9 wird das gasförmige Kältemittel um 90° umgelenkt, strömt in Strömungsrichtung 19 durch den zweiten Strömungskanal 12 in den als Verbindungskanal ausgebildeten Hochdruckkanal 13.
  • Insbesondere durch die Anordnung der Öffnung des zweiten Strömungskanals 12 im strömungsberuhigten Bereich der Hochdruckkammer 9 und durch die Umlenkungen innerhalb des Strömungskanals 12 gelangt hauptsächlich gasförmiges Kältemittel in den Hochdruckkanal 13 und zu einem ersten Entspannungsorgan 14, welches zum Beispiel als eine Hochdruckdüse oder ein Ventil, insbesondere ein Regelventil, ausgebildet ist.
  • Nach der Abtrennung beziehungsweise dem Separieren des Steuermassenstroms vom Hauptmassenstrom des Kältemittel-Öl-Gemischs im Separator 10 wird der Steuermassenstrom aus gasförmigem Kältemittel beim Durchströmen des ersten Entspannungsorgans 14 auf ein Mitteldruckniveau entspannt und durch einen Mitteldruckkanal 15 in die Mitteldruckkammer 16 geleitet. Mittels des Steuermassenstroms wird folglich der Gegendruck zum Andrücken des Orbiters 4 an den Stator 3 gewährleistet.
  • Der Steuermassenstrom wird beim Durchströmen eines zweiten Entspannungsorgans 17, welches zum Beispiel als eine Niederdruckdüse oder ein Ventil, insbesondere ein Regelventil, ausgebildet ist, vom Mitteldruckniveau auf das Niveau des Saugdrucks entspannt und in die Saugdruckkammer 8 zurückgeführt. In der Saugdruckkammer 8 wird der Steuermassenstrom mit dem vom Verdichter 1 aus dem Kältemittelkreislauf angesaugten Kältemittel-Öl-Gemisch vermischt und in den Arbeitsraum angesaugt. Der Kreislauf des Steuermassenstroms ist geschlossen.
  • Um den Verdichter 1 möglichst effizient zu betreiben, sollte der Steuermassenstrom minimal sein. Der Steuermassenstrom ist beim Durchströmen eines Entspannungsorgans 14, 17, wie der Hochdruckdüse oder der Niederdruckdüse, von Zustandsgrößen, insbesondere der Druckdifferenz Δp = p2-p1 des zu entspannenden Fluids vor und nach dem Entspannungsorgan 14, 17 sowie der Dichte ρ2 des Kältemittels und der Abmessung des Querschnitts des Entspannungsorgans 14, 17, insbesondere dem Durchmesser d der Düse oder des Ventils, abhängig. 2 zeigt schematisch die Strömung des Steuermassenstroms durch ein als eine Düse ausgebildetes Entspannungsorgan 14, 17. Da die Druckdifferenz Δp und die Dichte ρ2 des Kältemittels nicht beeinflusst werden können, ist der Durchmesser d des Entspannungsorgans 14, 17 zu reduzieren. Dabei ist der Steuermassenstrom um so geringer, je kleiner der Durchmesser d beziehungsweise der Querschnitt des Entspannungsorgans 14, 17 ausgebildet ist.
  • Allerdings nimmt die Empfindlichkeit der Verblockung des Entspannungsorgans 14, 17 mit Partikeln zu, je kleiner der Querschnitt oder der Durchmesser d ist. Um nunmehr eine Verblockung und damit eine Verstopfung des Entspannungsorgans 14, 17 über die gesamte Lebensdauer zu vermeiden, wird mittels des Separators 10 ein partikelfreier Steuermassenstrom aus gasförmigem Kältemittel vom Hauptmassenstrom abgeschieden und der Steuermassenstrom wird durch die Entspannungsorgane 14, 17 auf die Saugseite des Verdichters 1 zurückgeführt.
  • In den 3 und 4 ist jeweils eine Detailansicht einer alternativen Ausgestaltungsform des Verdichters 1', 1", insbesondere der Anordnung zum Separieren 10', 10", in Schnittdarstellung gezeigt. Das hintere Gehäuseelement 2a des Gehäuses 2 weist jeweils die Hochdruckkammer 9 und einen Separator 10', 10" zum Separieren des Steuermassenstroms vom Hauptmassenstrom auf. Dabei erstreckt sich der erste Strömungskanal 11', 11" als Strömungspfad des Hauptmassenstroms ausgehend von der Hochdruckkammer 9 zu einer Öffnung im Gehäuse 2. Das als Hauptmassenstrom geleitete Kältemittel-Öl-Gemisch wird durch den Strömungskanal 11', 11" in Strömungsrichtung 18 aus dem Verdichter 1', 1'' in den Kältemittelkreislauf gefördert. Der Separator 10', 10" ist jeweils als Teil des hinteren Gehäuseelements 2a ausgebildet.
  • Bei der Ausgestaltungsform nach 3 mündet der zweite Strömungskanal 12' beziehungsweise der Hochdruckkanal 13' zum Leiten des Steuermassenstroms zum ersten Entspannungsorgan 14 senkrecht, das heißt in einem Winkel α von 90°, in den ersten Strömungskanal 11' des Hauptmassenstroms. Die Strömungsrichtung 19 des Steuermassenstroms und die Strömungsrichtung 18 des Hauptmassenstroms sind beim Abzweig des Steuermassenstroms vom Hauptmassenstrom in einem Winkel α von 90° zueinander angeordnet. Die Strömungskanäle 11', 12' sind als zwei Bohrungen ausgebildet und in einem Winkel α von mindestens 90° zueinander ausgerichtet. Nach einer nicht dargestellten Ausgestaltungsform sind die Strömungsrichtungen von Hauptmassenstrom und Steuermassenstrom im Bereich der Abzweigung in einem Winkel von mehr als 90° zueinander ausgerichtet. Wenn die Strömungsrichtungen in einem Winkel von mehr als 90° zueinander ausgerichtet sind, überstreicht der Steuermassenstrom im Bereich der Abzweigung einen Winkel von mehr als 90°, der Steuermassenstrom wird um mehr als 90° umgelenkt.
  • Bei der Ausgestaltungsform nach 4 mündet der erste Strömungskanal 11" des Hauptmassenstroms schräg zur im Gehäuse 2 ausgebildeten Öffnung und einen Bereich der Abzweigung des zweiten Strömungskanals 12" des Steuermassenstroms. Nach einer alternativen nicht dargestellten Ausgestaltungsform mündet der erste Strömungskanal des Hauptmassenstroms schräg zur im Gehäuse ausgebildeten Öffnung und den Bereich der Abzweigung des zweiten Strömungskanals des Steuermassenstroms. Im Bereich der Abzweigung des zweiten Strömungskanals 12" des Steuermassenstroms ist eine Abscheidehülse 20 angeordnet. Die Abscheidehülse 20 dient bei der Anordnung des ersten Strömungskanals 11" und des zweiten Strömungskanals 12" in einem Winkel von weniger als 90° zueinander einer erzwungenen Strömungsführung des Steuermassenstroms. Die Abscheidehülse 20 und der zweite Strömungskanal 12" sind derart zueinander ausgerichtet, dass der Steuermassenstrom im Wesentlichen entgegen der Strömungsrichtung 18 des Hauptmassenstroms in den zweiten Strömungskanal 12" abgezweigt und umgelenkt wird. Der Steuermassenstrom strömt dabei in Strömungsrichtung 18 aus dem ersten Strömungskanal 11" beziehungsweise der Abscheidehülse 20 aus, wird anfangs um einen Winkel α von über 90° und in Gesamtbetrachtung um etwa einen Winkel α im Bereich von 135° bis 165° umgelenkt und strömt anschließend mit einer weiteren Umlenkung um 90° in den zweiten Strömungskanal 12" ein.
  • Bei der Abscheidung des Steuermassenstroms als partikelfreier, gasförmiger Kältemittelmassenstrom ohne oder lediglich mit minimalem Ölanteil und ohne oder lediglich mit minimalem Anteil an flüssigem Kältemittel vom Hauptmassenstrom als Kältemittel-Öl-Gemisch mit Partikeln werden sowohl die Trägheit der Partikel und als auch des Fluids ausgenutzt, was durch eine Umlenkung des Steuermassenstroms von mindestens 90° gemäß der Ausgestaltungsformen nach den 3 und 4 oder durch die Abzweigung innerhalb eines strömungsberuhigten Bereichs der Hochdruckkammer 9 gemäß der Ausgestaltungsformen nach 1 sichergestellt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1', 1''
    Vorrichtung zum Verdichten, Verdichter
    2
    Gehäuse
    2a
    hinteres Gehäuseelement
    2b
    mittleres Gehäuseelement
    2c
    vorderes Gehäuseelement
    3
    Stator
    4
    Orbiter
    5
    Antriebswelle
    6
    Radiallager Orbiter 5 Antriebswelle 6
    7
    Radiallager Antriebswelle 6 Gehäuse 2
    8
    Ansaugkammer, Saugdruckkammer
    9
    Ausstoßkammer, Hochdruckkammer
    10, 10', 10"
    Anordnung zum Separieren, Separator
    11, 11', 11"
    erster Strömungskanal Hauptmassenstrom
    12, 12', 12"
    zweiter Strömungskanal Steuermassenstrom
    13, 13', 13"
    Hochdruckkanal
    14
    erstes Entspannungsorgan
    15
    Mitteldruckkanal
    16
    Gegendruckkammer, Mitteldruckkammer
    17
    zweites Entspannungsorgan
    18
    Strömungsrichtung Hauptmassenstrom
    19
    Strömungsrichtung Steuermassenstrom
    20
    Abscheidehülse
    α
    Winkel
    d
    Durchmesser
    p1, p2
    Druck
    ρ1, ρ2
    Dichte

Claims (8)

  1. Vorrichtung (1, 1', 1'') zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, aufweisend ein Gehäuse (2) mit einer Saugdruckkammer (8) und einer Hochdruckkammer (9), einen Kompressionsmechanismus sowie eine im Bereich der Hochdruckkammer (9) ausgebildete Anordnung (10, 10', 10") zum Separieren eines Steuermassenstroms von einem Fluid-Schmiermittel-Gemisch zum Steuern des Kompressionsmechanismus, wobei die Anordnung (10, 10', 10") mit einem ersten Strömungskanal (11, 11', 11") zum Ableiten eines Hauptmassenstroms des verdichteten Fluid-Schmiermittel-Gemischs aus der Vorrichtung (1, 1', 1") und einem zweiten Strömungskanal (12, 12', 12") zum Leiten des Steuermassenstroms innerhalb der Vorrichtung (1, 1', 1") zur Saugdruckkammer (8) derart ausgebildet und angeordnet ist, einen Massenstrom des gasförmigen Fluids als Steuermassenstrom zu separieren, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (12, 12', 12") in Strömungsrichtung des Steuermassenstroms in einen Hochdruckkanal (13, 13', 13") mündend ausgebildet ist und am Auslass des Hochdruckkanals (13, 13', 13") ein erstes Entspannungsorgan (14) zum Entspannen des Steuermassenstroms von einem Niveau eines Hochdrucks auf ein Niveau eines Mitteldrucks angeordnet ist, wobei der Steuermassenstrom in einen Bereich des Gehäuses (2) geleitet wird, welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist.
  2. Vorrichtung (1, 1', 1'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Gehäuses (2), welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist, eine Durchgangsöffnung zur Saugdruckkammer (8) aufweist und innerhalb der Durchgangsöffnung ein zweites Entspannungsorgan (17) zum Entspannen des Steuermassenstroms vom Niveau des Mitteldrucks auf ein Niveau eines Niederdrucks angeordnet ist.
  3. Vorrichtung (1, 1', 1'') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsmechanismus als Scrollverdichter einen unbeweglichen Stator (3) und einen beweglichen Orbiter (4) sowie eine Mitteldruckkammer (16) aufweist, wobei - der Stator (3) und der Orbiter (4) jeweils mit einer Grundplatte und einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung ausgebildet sind, wobei die Wandungen ineinandergreifend angeordnet sind, und - die Mitteldruckkammer (16) auf einer Rückseite der Grundplatte des beweglichen Orbiters (4) ausgebildet und mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (12) der Anordnung (10) zum Abzweigen des Steuermassenstroms innerhalb eines strömungsberuhigten Bereichs der Hochdruckkammer (9) in die Hochdruckkammer (9) mündend angeordnet ist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (11, 12) innerhalb der Anordnung (10) voneinander getrennt ausgebildet und sich in einer Längsrichtung der Anordnung (10) erstreckend ausgerichtet sind.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (10) eine zylindrische Form aufweist.
  7. Vorrichtung (1', 1'') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (10', 10") im Bereich eines Auslasses aus der Hochdruckkammer (9) angeordnet ist, wobei der zweite Strömungskanal (12', 12") vom ersten Strömungskanal (11', 11") derart und in einem Winkel (α) abzweigend ausgebildet ist, dass der Steuermassenstrom beim Einströmen in den zweiten Strömungskanal (12', 12") um einen Winkel (α) von mindestens 90° umgelenkt wird.
  8. Verfahren zum Separieren eines Steuermassenstroms in einer Vorrichtung (1, 1', 1") zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit einer Anordnung (10, 10', 10") zum Separieren des Steuermassenstroms nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: - Auslassen eines auf Hochdruck verdichteten Fluid-Schmiermittel-Gemischs in eine Hochdruckkammer (9), - Ableiten eines Hauptmassenstroms des Fluid-Schmiermittel-Gemischs durch einen ersten Strömungskanal (11, 11', 11'') aus der Vorrichtung (1, 1' 1'') sowie - Abscheiden eines Steuermassenstroms vom Hauptmassenstrom und Ableiten des Steuermassenstroms durch einen zweiten Strömungskanal (12, 12', 12") innerhalb der Vorrichtung (1, 1', 1'') zu einer Saugdruckkammer (8), wobei als Steuermassenstrom gasförmiges Fluid ohne feste Partikel abgeschieden wird, wobei der Steuermassenstrom - beim Durchströmen eines ersten Entspannungsorgans (14) von einem Niveau eines Hochdrucks auf ein Niveau eines Mitteldrucks entspannt und in einen Bereich eines Gehäuses (2) geleitet wird, welcher mit gasförmigem Fluid auf dem Niveau des Mitteldrucks beaufschlagt ist, - beim Durchströmen eines zweiten Entspannungsorgans (17) vom Niveau des Mitteldrucks auf ein Niveau eines Niederdrucks entspannt und in die Saugdruckkammer (8) geleitet wird.
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