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Die Erfindung betrifft einen Scrollverdichter, der insbesondere zur Verwendung als Kältemittelverdichter für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein kann.
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Scrollverdichter weisen prinzipbedingt eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu Verdichtern anderer Bauarten, beispielsweise Kolbenverdichtern, auf, die diese für eine Verwendung als Kältemittelverdichter einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs prädestinieren. So sind Scrollverdichter beispielsweise relativ robust, effizient und können auch kostengünstig herstellbar sein. Weiterhin können diese infolge ihrer radialen Wirkungsrichtung bei der Verdichtung des hierfür vorgesehenen Gases mit vergleichsweise geringen Abmessungen, insbesondere entlang der Rotationsachse einer Antriebswelle des Scrollverdichters, ausgebildet werden.
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Scrollverdichter umfassen grundsätzlich ein oder mehrere Spiralenpaare, die jeweils bei exzentrischer Anordnung verschachtelt ineinander greifen und dadurch mehrere voneinander separierte, spiral- beziehungsweise sichelförmige Verdichtungstaschen begrenzen. Bei einer orbitierenden Relativbewegung der Spiralen (jedes Spiralenpaars) zueinander sind die Verdichtungstaschen zunächst an ihrem radial außen liegenden Ende zu einem Niederdruckabschnitt des Scrollverdichters geöffnet, wodurch zu verdichtendes Gas in diese einströmen kann. Bei einer weitergehenden Relativbewegung der Spiralen bewegen sich die einzelnen Verdichtungstaschen auf einer spiralförmigen Bahn in Richtung eines zentralen Bereichs, wobei sich die Größen der Verdichtungstaschen zunehmend verringern. Damit ist eine Verdichtung des in den Verdichtungstaschen eingeschlossenen Gases nach dem Verdrängungsprinzip verbunden. Der zentrale Bereich ist in der Regel unter Zwischenschaltung eines selbsttätigen Ventils mit einem Hochdruckabschnitt des Scrollverdichters verbunden, in den das verdichtete Gas beim Erreichen des maximalen Verdichtungsdrucks infolge einer Reduzierung der Größen der Verdichtungstaschen ausgestoßen wird. Eine Relativbewegung der zwei Spiralen (jedes Spiralenpaars) wird in der Regel durch den orbitierenden Antrieb einer (Rotor-)Spirale erreicht, während die andere (Stator-)Spirale feststehend ausgebildet ist.
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Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrads eines Scrollverdichters ist es von Bedeutung, dass die Rotorspirale(n) und die Statorspirale(n) in den Kontaktstellen zueinander möglichst gut abgedichtet sind. Dabei ist häufig eine Abdichtung der zwischen den Endkanten der Spiralwände der Spiralen und den Böden der dazugehörigen Partnerspiralen ausgebildeten Spalte problematisch, weil die Verdichtung des Gases in den Verdichtungstaschen mit dem dadurch einhergehenden hohen Druck zu Druckkräften führt, die die Spiralen entlang der Orbit- beziehungsweise Längsachsen voneinander wegdrücken. Es ist offensichtlich, dass sich diese Problematik umso mehr stellt, je höher das Verdichtungsverhältnis ist, das mittels eines Scrollverdichters erreicht wird. Bei Kältemittelverdichten für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen stellt sich diese Problematik daher insbesondere bei solchen, die für eine Verwendung mit Kältemitteln, die, wie beispielsweise Kohlendioxid (R744), deutlich höhere Systemdrücke erfordern, als dies für die zuvor verwendeten konventionellen synthetischen Kältemittel (zum Beispiel R134a, R1234yfF, R12) der Fall ist, ausgelegt sind. Weiterhin besitzt Kohlendioxid als Kältemittel eine relativ geringe Molekülgröße, woraus eine erhebliche Leckage bereits bei geringen Spalten resultieren kann.
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Es ist bekannt, zur Erzeugung eines möglichst optimalen und betriebslastabhängigen axialen Anpressdrucks zwischen den Spiralen eines Spiralenpaars eines Scrollverdichters einen sogenannten Mitteldruckraum vorzusehen, der mittels eines oder mehrerer Mitteldruckkanäle mit einem oder mehreren der Verdichtungstaschen in fluidleitender Verbindung steht. Dabei weisen der oder die Mitteldruckkanäle relativ kleine Öffnungsquerschnitte auf, wodurch diese als Drossel für zwischen den Verdichtungstaschen und dem Mitteldruckraum überströmendes Gas dienen. In dem Mitteldruckraum stellt sich somit infolge der fluidleitenden Verbindung mit einer oder mehreren Verdichtungstaschen ein Mitteldruck ein, dessen Höhe zwischen dem Saugdruck und dem Verdichtungsenddruck liegt und der infolge der Drosselwirkung der Mitteldruckkanäle deutlich weniger schwankt als dies für den Druck des Gases oder des gasförmigen Kältemittels in den Verdichtungstaschen gilt. Dieser in dem Mitteldruckraum vorliegende Mitteldruck wirkt auf eine der Spiralen eines Spiralenpaars und drückt diese dadurch axial gegen die dazugehörige Partnerspirale.
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Für eine reibungs- und damit verschleißmindernde sowie leckagemindernde Schmierung der Kontaktflächen zwischen den Spiralen kann vorgesehen sein, in das zu verdichtende Gas beziehungsweise gasförmige Kältemittel Öl in Form kleiner Tröpfchen einzubringen. Dieses Öl wird dann aus dem bereits verdichteten Gas wieder so weit wie möglich abgeschieden und über eine Ölrückführung in einen Niederdruckabschnitt des Scrollverdichters zurückgeführt, wo dieses dann erneut in zu verdichtendes Gas eingebracht wird.
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Ein Scrollverdichter, der als Kältemittelverdichter für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und der einen über einen oder mehrere Mitteldruckkanäle mit einem oder mehreren Verdichtungstaschen verbunden Mitteldruckraum sowie eine Ölrückführung umfasst, ist aus der
DE 10 2012 104 045 A1 bekannt. Bei dem darin offenbarten Scrollverdichter ist vorgesehen, den Mitteldruckraum in die Ölrückführung zu integrieren, so dass das rückzuführende Öl ausgehend von einem in einen Hochdruckabschnitt integrierten Ölabscheider zunächst in den Mitteldruckraum und von dort über eine ein Drosselelement umfassende Fluidleitung, die in die Antriebswelle der Rotorspirale integriert ist, in einen Saugabschnitt des Scrollverdichters zurückzuführen.
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Nachteilig an dem aus der
DE 10 2012 104 045 A1 bekannten Scrollverdichter ist eine prinzipbedingt unvermeidliche Leckage an gasförmigem Kältemittel über die in den Niederdruckabschnitt führende Fluidleitung. Weiterhin kann sich eine Abhängigkeit des rückzuführenden Ölmassenstromes von dem Druckniveau im Mitteldruckraum einstellen. Hinzu kommt ein nicht unerheblicher Herstellungsaufwand sowie Bauraumbedarf für die Integration der Ölabsaugung in die Antriebswelle. Und schließlich erfordert die Ausgestaltung eines Scrollverdichters gemäß der
DE 10 2012 104 045 A1 eine kompromissbehaftete Auslegung des in die Ölabsaugung integrierten Drosselelements für die Drosselung von Öl- und Gasmassenströmen.
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Scrollverdichter mit Mitteldruckräumen zum bedarfsgerechten Anpressen der jeweiligen Spiralen gegeneinander sowie mit Ölrückführungen sind weiterhin aus der
EP 1 059 448 B1 und der
EP 1 158 166 B1 bekannt.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Scrollverdichter anzugeben, der im Hinblick auf die genannten Nachteile, mit denen der Scrollverdichter gemäß der
DE 10 2012 104 045 A1 behaftet ist, verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Scrollverdichters gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist ein Scrollverdichter mit einer Statorspirale, einer orbitierend antreibbaren Rotorspirale und einem Mitteldruckraum zur druckbedingten axialen Beaufschlagung der Statorspirale und der Rotorspirale gegeneinander vorgesehen, wobei der Mitteldruckraum über ein oder mehrere Mitteldruckkanäle mit (jeweils) einer von der Statorspirale und der Rotorspirale begrenzten Verdichtungstasche verbunden ist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Mitteldruckraum ausschließlich über den oder die Mitteldruckkanäle fluidleitend angeschlossen ist, so dass ein gewollter Fluidein- und -austritt in den oder aus dem Mitteldruckraum ausschließlich über den oder die Mitteldruckkanäle erfolgt.
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Anders als bei dem aus der
DE 10 2012 104 045 A1 bekannten Scrollverdichter ist folglich nicht vorgesehen, den Mitteldruckraum in eine auch für einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter vorzugsweise vorgesehen Ölrückführung, mittels der Öl aus einem Hochdruckabschnitt in einen Niederdruckabschnitt des Scrollverdichters zurückgeführt wird, zu integrieren, so dass insbesondere auch auf die bei dem Scrollverdichter gemäß der
DE 10 2012 104 045 A1 vorgesehene Fluidleitung, die eine Verbindung zwischen dem Mitteldruckraum und einem Niederdruckabschnitt des Scrollverdichters herstellt, verzichtet wird. Wirkungsgradverluste infolge einer Leckage von bereits teilweise verdichtetem Gas über den Mitteldruckraum und die diesen mit einem Niederdruckabschnitt verbindende Ölabsaugung können auf diese Weise vermieden werden, ohne dass sich die ausschließliche fluidleitende Verbindung des Mitteldruckraums mit einer oder mehreren Verdichtungstaschen negativ auf die Funktionsweise des Mitteldruckraums hinsichtlich des mittels diesem zu erzeugenden bedarfsgerechten Andrückens der Spiralen gegeneinander auswirken würde. Weiterhin entfällt dadurch das Einbringen einer Fluidleitung in eine Antriebswelle, wodurch sich geringere Herstellungskosten und auch eine größere mechanische Belastbarkeit ergeben können. Auch eine mögliche Unwucht der Antriebswelle kann dadurch vermieden oder verringert werden.
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Eine vorteilhafte Anpresswirkung des Mitteldruckraums kann erreicht werden, wenn - wie es vorzugsweise für einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter vorgesehen ist - mindestens und bevorzugt exakt zwei Mitteldruckkanäle vorgesehen sind, die mit derselben oder verschiedenen (z.B. bezüglich einer Orbitachse der Rotorspirale gegenüber liegende oder einander nachfolgende) Verdichtungstaschen verbunden sind, weil auf diese Weise eine zumindest meistens herrschende Differenz der Drücke in den zwei Mitteldruckkanälen beziehungsweise in den mit diesen verbundenen Verdichtungstaschen ausgenutzt werden kann, um eine ausreichende beziehungsweise relativ große Durchströmung des Mitteldruckraums erreichen zu können. Dies kann sich nicht nur positiv hinsichtlich der Einstellung eines bedarfsgerechten Mitteldrucks in dem Mitteldruckraum auswirken sondern auch zu einer vorteilhaften Schmierung von gegebenenfalls in dem Mitteldruckraum angeordneten Komponenten, wie beispielsweise einem Lagerelement zur drehbaren Lagerung einer Antriebswelle der Rotorspirale, mittels in dem Gasstrom enthaltenen Öltröpfchen führen.
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Vorteilhaft erreichbar ist eine Differenz der Drücke in den Mitteldruckkanälen, indem deren Mündungen in die Verdichtungstaschen in unterschiedlichen radialen Abständen und/oder in unterschiedlichen Winkellagen bezüglich einer Orbitachse der Rotorspirale angeordnet sind. Grundsätzlich können sich unterschiedliche Drücke in den Mitteldruckkanälen auch bei radial gleichen Abständen und gleichen beziehungsweise um 180° versetzten Winkellagen ergeben.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Scrollverdichters kann weiterhin vorgesehen sein, dass dieser einen Ölabscheider aufweist, um Öl, das mit dem Ziel der Schmierung des Scrollverdichters und insbesondere auch der abschnittsweise miteinander kontaktierenden Spiralen dem zu verdichtenden Gas beigemischt wird, wieder aus dem Gas abzuscheiden, wobei dies vorzugsweise in dem vollständig verdichteten Gas erfolgt, so dass der Ölabscheider dementsprechend in einen Hochdruckabschnitt des Scrollverdichters integriert ist. Dabei kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass eine Ölrückführung von dem Ölabscheider direkt in einen Saugabschnitt des Scrollverdichters führt, so das zumindest nicht vorgesehen ist, dass das rückzuführende Öl vor dem Erreichen des Saugabschnitts über ein Volumen geführt wird, in dem zu verdichtendes Gas in einem von dem Druck im Saugabschnitt abweichenden Druck vorhanden ist. Insbesondere soll nicht vorgesehen sein, dass die Ölrückführung über den Mitteldruckraum geführt ist. Durch eine solche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Scrollverdichters wird die Rückführung von Öl aus dem Hochdruckabschnitt in den Saugabschnitt des Scrollverdichters (möglichst) vollständig von der Druckerzeugung in dem Mitteldruckraum separiert, was sich insbesondere hinsichtlich einer vorteilhaften und jeweils möglichst bedarfsgerechten Dimensionierung des oder der Mitteldruckkanäle und der Ölrückführung und daraus folgend der Drosselungen des zwischen den Verdichtungstaschen und dem Mitteldruckraum überströmenden Gases beziehungsweise Gas-Öl-Gemisches einerseits und dem rückzuführenden Öl ermöglichen kann. Weiterhin kann dadurch eine definierte Ölversorgung des Scrollverdichters in allen Betriebszuständen, insbesondere auch in einem Wärmepumpenbetrieb, gewährleistet werden.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Ölrückführung als ein in ein Gehäuse des Scrollverdichters integrierter Rückführkanal ausgebildet ist. Eine externe Führung der Ölrückführung, beispielsweise mittels eines außerhalb eines solchen Gehäuses des Scrollverdichters geführten Schlauchs oder Rohrs kann jedoch ebenfalls vorgesehen sein.
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Für eine möglichst optimale Rückführung von Öl aus dem Hochdruckabschnitt in den Saugabschnitt des Scrollverdichters kann vorgesehen sein, dass in die Ölrückführung ein Drosselelement integriert ist, das weiterhin bevorzugt auch hinsichtlich der Drosselwirkung veränderbar ausgebildet sein kann. Eine besonders optimale Anpassung der Drosselwirkung des Drosselelements an unterschiedliche Betriebszustände des Scrollverdichters kann erreicht werden, wenn das Drosselelement selbstregelnd oder aktiv ansteuerbar ausgebildet ist.
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Für einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter kann in bevorzugter Weise ein elektrischer Antriebsmotor vorgesehen sein, weil dies beispielsweise auf besonders einfache Weise eine bedarfsgerechte Leistungsregelung für den Scrollverdichter ermöglicht. Im Vergleich zu mechanisch angetriebenen Scrollverdichtern, die noch immer regelmäßig als Kältemittelverdichter für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen verwendet werden und die direkt oder indirekt über einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mechanisch angetrieben werden, kann folglich auf eine Integration einer Kupplung zur Leistungsregelung verzichtet werden. Weiterhin ermöglicht ein solcher elektromotorisch angetriebener Scrollverdichter eine Verwendung auch bei Kraftfahrzeugen mit teil- oder vollelektrifiziertem Antriebsstrang unabhängig von dem Betrieb eines gegebenenfalls vorhandenen Verbrennungsmotors.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen Scrollverdichters kann dann noch vorgesehen sein, dass der Antriebsmotor in einen Saugraum des Scrollverdichters integriert ist, so dass über einen Einlass in den Scrollverdichter eingetretenes Gas vor einer Verdichtung mittels der Statorspirale und der Rotorspirale den Elektromotor zumindest teilweise durch- und/oder umströmt. Auf diese Weise kann ein Kühlen des elektrischen Antriebsmotors mittels des zu verdichtenden Gases erreicht werden, so dass gegebenenfalls auf zusätzliche Mittel zur Kühlung des Antriebsmotors verzichtet werden kann. Zudem kann der aufgrund der Integration des Antriebsmotors relativ groß zu dimensionierende Saugraum derart ausgestaltet werden, dass das in diesen eingetretene Gas in eine definierte Strömungsform, beispielsweise eine Tangential- oder Spiralströmung, überführt wird, wodurch ein Überströmen des Gases in die Verdichtungstaschen und daraus folgend der Wirkungsgrad des Scrollverdichters positiv beeinflusst werden kann. Auch eine Leistungselektronik für den Antriebsmotor kann in den Saugraum des Scrollverdichters zu integrieren, wodurch auch diese mittels des Kältemittels gekühlt werden kann.
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Weiterhin bevorzugt kann dann noch vorgesehen sein, dass der Saugraum als Ölreservoir vorgesehen ist, in dem somit eine relevante Menge an Öl vorgehalten wird. Die Strömung des zu verdichtenden Gases kann dann in vorteilhafter Weise auch ausgenutzt werden, um Tröpfchen des Öls mitzureißen, so dass ein Gas-Öl-Gemisch in die Verdichtungstaschen gelangt, wobei das in diesem Gemisch enthaltene Öl eine Schmierung der Kontaktstellen der Spiralen und gegebenenfalls auch anderer Komponenten des Scrollverdichters gewährleistet.
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Gleichzeitig kann das Öl auch eine Kühlung dieser Komponenten positiv beeinflussen. Ein Mitreißen von Öltröpfchen in dem auch den elektrischen Antriebsmotor aufnehmenden Saugraum kann weiterhin in vorteilhafter Weise dadurch unterstützt werden, dass durch die Rotation eines Rotors des Antriebsmotors das in dem Saugraum enthaltene Öl aufgewirbelt wird, wodurch eine Tröpfchenbildung unterstützt werden kann. Bei einer Nutzung des Saugraums als Ölreservoir kann zudem besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Ölrückführung von dem Ölabscheider direkt in den Saugraum führt. Dabei kann die Ölrückführung auch an mehreren Stellen, die weiterhin bevorzugt relativ weit voneinander beabstandet und damit verteilt angeordnet sind, in den Saugraum münden. Ein Rückführkanal der Ölrückführung kann dazu in mehrere Teilkanäle aufgeteilt sein. Die Mündung(en) der Ölrückführung kann/können auch von einer oder mehreren Düsen ausgebildet sein, die eine bessere Verteilung des rückgeführten Öl durch beispielsweise eine Vernebelung und/oder eine definierte Abstrahlrichtung bewirken können.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Scrollverdichters kann eine Integration (jeweils) eines Filterelements in den oder die Mitteldruckkanäle und/oder in die Ölrückführung vorgesehen sein. Das oder die Filterelemente können dabei insbesondere dazu dienen, Partikel, die insbesondere als verschleißbedingter Abrieb anfallen können, aus dem Gas beziehungsweise Gas-Öl-Gemisch und/oder aus dem rückzuführenden Öl herauszufiltern, um zu vermeiden, dass diese Partikel im andauernden Betrieb des Scrollverdichters einen reibungsbedingten Verschleiß erhöhen.
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Infolge der bedarfsgerechten Erzeugung eines axial bezüglich der Orbitachse der Rotorspirale wirkenden Anpressdrucks zwischen den Spiralen eignet sich ein erfindungsgemäßer Scrollverdichter in vorteilhafter Weise auch zur Erzeugung eines vergleichsweise großen Druckverhältnisses von beispielsweise mindestens 15, vorzugsweise mindestens 25. Dadurch ist ein solcher Scrollverdichter insbesondere auch für eine Nutzung als Kältemittelverdichter einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs geeignet, in der ein Kältemittel genutzt wird, das, wie beispielsweise Kohlendioxid (R744), entsprechend hohe Systemdrücke erfordert, um die Funktionsfähigkeit der Klimaanlage zu gewährleisten. Für einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter kann dementsprechend eine Ausgestaltung vorgesehen sein, mittels der entsprechend große Systemdrücke realisierbar sind.
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Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Scrollverdichter einstufig ausgebildet ist und folglich lediglich ein Spiralenpaar bestehend aus Statorspirale und Rotorspirale aufweist. Dadurch muss zwar das gesamte Verdichtungsverhältnis mittels der einen Verdichtungsstufe realisiert werden, was entsprechend hohe Anforderungen an diese Verdichtungsstufe, insbesondere hinsichtlich der thermischen Belastung und auch an die Abdichtung zwischen der Statorspirale und der Rotorspirale dieser Verdichtungsstufe, stellt, gleichzeitig kann jedoch die konstruktive Komplexität und auch der Bauraum des Scrollverdichters gering gehalten werden, wodurch dieser relativ kostengünstig herstellbar und vorteilhaft verwendbar ist.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:
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1: einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter in einem teilweisen Längsschnitt;
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2: die Vorderseite einer Rotorspirale für einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter, beispielsweise gemäß der 1, und, schematisch, eine Verbindung von in einen Boden der Rotorspirale integrierten Mitteldruckkanälen mit einem Mitteldruckraum des Scrollverdichters; und
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3: die Rückseite einer Statorspirale für einen erfindungsgemäßen Scrollverdichter, beispielsweise gemäß der 1, mit darin angeordneten Rückschlagventilen.
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Der in der 1 gezeigte Scrollverdichter umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 10, innerhalb dessen eine Statorspirale 12 unbeweglich gelagert ist. Die Statorspirale 12 umfasst einen Boden 14, der randseitig von einer Begrenzungswand 16 begrenzt ist, wobei sich die Begrenzungswand 16 von einer Seite des Bodens 14 in einer senkrechten Ausrichtung zu diesem erstreckt. Die Außenseite der Begrenzungswand 16 dient u.a. einer möglichst spielarmen Lagerung der Statorspirale 12 innerhalb eines dafür vorgesehenen Abschnitts des Gehäuses 10, wobei ein beispielsweise in eine umlaufende Aufnahmenut der Begrenzungswand 16 integriertes Dichtelement 18 (vgl. 3), das beispielsweise in Form eines herkömmlichen O-Rings ausgebildet sein kann, einer Abdichtung des zwischen der Außenseite der Begrenzungswand 16 und der Innenseite des Gehäuses 10 ausgebildeten Ringspalts dienen kann.
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Von dem Boden 14 der Statorspirale 12 erstreckt sich in derselben Richtung wie die Begrenzungswand 16 eine Spiralwand 20, die bezüglich ihrer Querrichtung senkrecht zu dem Boden 14 ausgerichtet ist und in ihrer Längsrichtung spiralförmig verläuft. In die von der Spiralwand 20 der Statorspirale 12 begrenzten Zwischenräume greift eine entsprechend ausgebildete Spiralwand 22 einer Rotorspirale 24 ein, die neben der Spiralwand 22 ebenfalls einen Boden 26 umfasst. Die Statorspirale 12 und die Rotorspirale 24 begrenzen so einen Verdichtungsraum 72, der aufgrund der ineinandergreifenden Spiralwände 20, 22 in mehrere Verdichtungstaschen unterteilt ist. Die Rotorspirale 24 ist auf der von der Spiralwand 22 abgewandten Seite mittels eines Drehlagerelements 28 drehbar auf einem Endabschnitt 32 einer Antriebswelle 30 gelagert, wobei dieser Endabschnitt 32 exzentrisch bezüglich eines Hauptabschnitts 34 der Antriebswelle 30 angeordnet ist. Der Hauptabschnitt 34 der Antriebswelle ist wiederum mittels Drehlagerelementen 28 drehbar innerhalb eines Saugraums 66 des Gehäuses 10 gelagert, wobei dieser Hauptabschnitt 34 der Antriebswelle 30 zudem drehfest mit einem Rotor 38 eines elektrischen Antriebsmotors 36 verbunden ist. Ein Stator 40 des Antriebsmotors 36 ist mit der Innenseite eines Abschnitts des Gehäuses 10 verbunden. Der Scrollverdichter umfasst folglich einen integrierten elektrischen Antriebsmotor 36, wobei die Antriebswelle 30 der Rotorspirale 24 gleichzeitig eine Abtriebswelle des Antriebsmotors 36 darstellt. Eine Ansteuerung des Antriebsmotors 36 erfolgt mittels einer Leistungselektronik 42 des Scrollverdichters, die in ein eigenes Gehäuse integriert ist, das außenseitig mit dem (Haupt-)Gehäuse 10 des Scrollverdichters verbunden ist. Eine Integration der Leistungselektronik in das Verdichtergehäuse ist ebenfalls möglich.
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Infolge der drehbaren Lagerung der Rotorspirale 24 auf dem bezüglich des Hauptabschnitts 34 exzentrisch angeordneten Endabschnitt 32 führt ein rotierender Antrieb der Antriebswelle 30 zu einer orbitierenden Bewegung der Rotorspirale 24 relativ zu der Statorspirale 12, wobei die Drehausrichtung dieser Spiralen 12, 24 zueinander im Wesentlichen unverändert bleibt. Diese orbitierende Relativbewegung führt in bekannter Weise dazu, dass die Verdichtungstaschen sich jeweils auf einer spiralförmigen Bahn in Richtung eines zentralen Abschnitt der Statorspirale 12 bewegen und dabei kontinuierlich kleiner werden, wodurch eine in den Verdichtungstaschen aufgenommene Teilmenge eines Gas-Öl-Gemisches zunehmend verdichtet wird. Erreichen die einzelnen Verdichtungstaschen den zentralen Abschnitt der Statorspirale 12, werden die verdichteten Teilmengen des Gas-Öl-Gemisches (ṁM) über im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei in den Boden 14 der Statorspirale 12 integrierte Austrittsöffnungen 44 in einen Hochdruckraum 46 eines Hochdruckabschnitts des Scrollverdichters ausgestoßen. Dabei wird mittels den Austrittsöffnungen 46 zugeordneten selbsttätig druckgesteuerten Ventilen (Rückschlagventilen) 48 ein möglichst optimales druckabhängiges Ausströmen des verdichteten Gas-Öl-Gemisches aus den Verdichtungstaschen in den in Verbindung mit den Austrittsöffnungen 44 stehenden Hochdruckraum 46 erreicht.
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Die Ventile 48 können gemäß der 3 in Form von Finger- beziehungsweise Lamellenventilen ausgebildet sein, wozu diese jeweils eine Federlasche 50 umfassen, die mit ihrem einen Ende an der Rückseite des Bodens 14 der Statorspirale mittels beispielsweise einer Schraube 52 befestigt ist, während das jeweils freie Ende der Federlaschen 50 in Überdeckung mit der jeweils zugeordneten Austrittsöffnung 44 ist und diese im unbelasteten Zustand verschließt. Bei einem Überdruck innerhalb der mit den Austrittsöffnungen 44 in fluidleitender Verbindung stehenden Verdichtungstaschen im Vergleich zu dem Druck innerhalb des Hochdruckraums 46 öffnen die Ventile 48, wobei die freien Enden der Federlaschen 50 elastisch ausgelenkt werden. Ein Überdruck auf Seiten des Hochdruckraums 46 führt dagegen zu einem verstärkten Andrücken der freien Enden der Federlaschen 50 an die die Austrittsöffnungen 44 umgebenden Abschnitte des Bodens 14, wodurch die Rückschlagventile die Austrittsöffnungen 44 sicher verschließen.
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In dem Hochdruckraum 46 enthaltenes Gas-Öl-Gemisch (ṁM) strömt infolge eines entsprechenden Druckgefälles über einen Überströmkanal 54 in einen Ölabscheider 56, der in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Zentrifugalabscheider ausgebildet ist. Das vorzugsweise in etwa tangential in einen zylindrischen Abscheideraum 58 des Ölabscheiders 56 eintretende Gas-Öl-Gemisch wird in eine spiralförmige Strömung überführt, wobei dieses zumindest einen Endabschnitt eines in den Abscheideraum 58 bis unterhalb des Überströmkanals 54 ragenden Tauchrohrs 60 umströmt. Dabei lagern sich die in dem Gas-Öl-Gemisch enthaltenen Öltröpfchen zu einem Großteil an der Begrenzungswand des Abscheideraums 58 an, koaleszieren und fließen schwerkraftbedingt zu einem unteren Ende des Abscheideraums 58, von dem eine in das Gehäuse 10 integrierte Ölrückführung 62 abgeht. Das weitgehend von Öltröpfchen befreite Gas (ṁG) strömt dagegen nach einer Umlenkung um nahezu 180° über das Tauchrohr zu einem Auslass 64 des Scrollverdichters.
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In den Hochdruckabschnitt des Scrollverdichters kann weiterhin ein so genannter „Muffler“ (nicht dargestellt) integriert sein, der einer Dämpfung der Druckpulsation des verdichteten Gases dient. Alternativ zu einer Integration in den Scrollverdichter kann ein solcher Muffler auch stromab an den Auslass 64 des Scrollverdichters angeschlossen sein. Weiterhin kann ein solcher Muffler auch in den Saugabschnitt des Scrollverdichters integriert sein.
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Mittels des in das Gehäuse 10 integrierten Rückführkanals, der die Ölrückführung 62 des erfindungsgemäßen Scrollverdichters darstellt, wird das in dem Ölabscheider 56 aus dem Gas-Öl-Gemisch abgeschiedene Öl direkt in den Saugraum 66 abgeleitet, wobei in die Ölrückführung 62 auch noch ein Drosselelement 82 integriert sein kann. Das Drosselelement 82 kann hinsichtlich der Drosselwirkung veränderlich und dabei passiv (d.h. selbsttätig) oder aktiv steuer- oder regelbar ausgebildet sein, um eine möglichst optimale Rückführung des abgeschiedenen Öls bei sämtlichen Betriebsbedingungen des Scrollverdichters sicherzustellen. Konstruktiv einfacher und damit kostengünstiger kann dagegen ein hinsichtlich der Drosselwirkung unveränderliches Drosselelement 82 sein, das beispielsweise als einfache geradlinige Öffnung („Bohrung“) mit definiertem Öffnungsquerschnitt oder als nicht-geradlinig, beispielsweise spiralförmig verlaufender Drosselkanal ausgebildet sein kann.
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Der Saugraum 66 dient neben einer Lagerung des Hauptabschnitts 34 der Antriebswelle 30 und neben einer Aufnahme des elektrischen Antriebsmotors 36 als Ölreservoir, so dass in diesem unter allen Betriebsbedingungen des Scrollverdichters eine definierte Mindestmenge an Öl vorhanden sein soll, um eine möglichst kontinuierliche Versorgung sämtlicher mit dem Öl zu schmierender Komponenten des Scrollverdichters sicherzustellen. Dabei erfolgt eine Verteilung des Öls innerhalb des Scrollverdichters primär durch ein Mitreißen von kleinen Öltröpfchen mittels einer Strömung zu verdichtenden Gases (ṁG), das über einen Einlass 68 in den Saugraum 66 eingebracht werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass durch eine angepasste Strömungsführung, beispielsweise durch eine in etwa tangentiale Einbringung des Gases über den Einlass 68 in den zylindrischen Saugraum 66, eine spiralförmige Drallströmung erzeugt wird, die ein Mitreißen von Öltröpfchen positiv beeinflussen kann. Weiterhin kann ein solches Mitreißen von Öltröpfchen durch eine rotierende Bewegung des zumindest teilweise mit Öl benetzten Rotors 38 des Antriebsmotors 36 und der Antriebswelle 30 verbessert werden. Auch eine Vernebelung von über die Ölrückführung 62 rückgeführten Öls beim Eintritt in den Saugraum 66 kann eine Vermischung des Öls mit dem Gas positiv beeinflussen.
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Die Anordnung des Einlasses 68 bezüglich des Saugraums 66 ist derart gewählt, dass das über diesen in den Saugraum 66 eingebrachte Gas den Antriebsmotor 36 durchströmen muss, bevor dieses zu einem Zuführkanal 70 gelangt, über den das dann mit Öltröpfchen vermischte Gas, d.h. das Gas-Öl-Gemisch (ṁM) in den Verdichtungsraum 72 gelangt. Dabei mündet der Zuführkanal 70 in einen radial randseitig gelegenen Niederdruckabschnitt des Verdichtungsraums 70, zu dem die Verdichtungstaschen jeweils anfangs geöffnet sind, so dass Teilmengen des Gas-Öl-Gemisches von dem Niederdruckabschnitt in die Verdichtungstaschen überströmen kann. Diese Teilmengen des Gas-Öl-Gemisches werden dann infolge der orbitierenden Bewegung der Rotorspirale 24 relativ zu der Statorspirale 12 spiralförmig in Richtung des zentralen Abschnitts der Statorspirale 12 transportiert und dabei verdichtet.
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In den Boden 26 der Rotorspirale 24 sind zwei Mitteldruckkanäle 74 integriert, wobei deren Anordnung gemäß der 2 zueinander diagonal gegenüberliegend bezüglich der Rotationsachse 76 der Antriebswelle 30 ist. Die Rotationsachse 76 der Antriebswelle 30 entspricht der Orbitachse 76 der Rotorspirale 24 und definiert damit den Mittelpunkt derjenigen Kreisbahn, auf der die Rotorspirale 24 bewegt wird. Die radiale Distanz der zwei Mitteldruckkanäle 74 bezüglich der Rotationsachse 76 und der Orbitachse 76 ist dabei unterschiedlich, wodurch erreicht werden kann, dass die Mitteldruckkanäle 74 annähernd immer mit zwei Verdichtungstaschen in fluidleitender Verbindung stehen, in denen die Druckniveaus der in diesen Verdichtungstaschen enthaltenen Teilmengen des Gas-Öl-Gemisches unterschiedlich sind. Diese Druckdifferenz führt infolge eines vergleichsweise stark ausgeprägten Überströmens von Gas-Öl-Gemisch (ṁM) aus diesen Verdichtungstaschen in einen mit diesen über die Mitteldruckkanäle 74 verbundenen Mitteldruckraum 78 zu einer vorteilhaften Einstellung eines in einem definierten mittleren Druckbereich liegenden Drucks des in dem Mitteldruckraum 78 enthaltenen Gas-Öl-Gemisches.
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Dieser Druck des in dem Mitteldruckraum 78 enthaltenen Gas-Öl-Gemisches führt zu einer entlang der Orbitachse auf die Rotorspirale 24 wirkenden Druckkraft, durch die die axialen Endkanten der Spiralwände 20, 22 von sowohl der Statorspirale 12 als auch der Rotorspirale 24 gegen den Boden 14, 26 der jeweils anderen Spirale 12, 24 gedrückt werden, so dass trotz der zumindest zeitweise sehr hohen Drücke innerhalb der Verdichtungstaschen eine ausreichende Abdichtung der Verdichtungstaschen gegeneinander realisiert werden kann. Dabei ist ein Vorteil der Erzeugung einer solchen Anpresskraft mittels des Mitteldruckraums 78, dass der Druck des Gas-Öl-Gemischs in dem Mitteldruckraum 78 umso höher ist, je höher das von dem Scrollverdichter erzeugte Verdichtungsverhältnis ist, so dass sich selbsttätig ein belastungsgerechtes Andrücken der Rotorspirale 24 an die Statorspirale 12 einstellt.
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Der Mitteldruckraum 78 ist ausschließlich mittels der Mitteldruckkanäle 74 fluidleitend angeschlossen. Ein anderweitiges gewolltes Einströmen und Abströmen eines Fluids in oder aus dem Mitteldruckraum 78 ist nicht gewollt und dementsprechend sind in den Mitteldruckraum 78 mündende Spalte, die diesen mit anderen fluidleitenden Volumina des Scrollverdichters verbinden würden, möglichst gut abgedichtet. Beispielsweise ist dazu in die Rückseite des Bodens 26 der Rotorspirale 24 ein Dichtelement 80 in Form eines O-Rings integriert, das den Spalt, der zwischen einem radial außen liegenden, ringförmigen Abschnitt dieses Bodens 26 und einem den Mitteldruckraum 78 umfangseitig begrenzenden Gehäuseabschnitt ausgebildet ist, abdichtend versperrt. Eine Abdichtung des Mitteldruckraums 78 zum Saugraum kann dagegen beispielsweise mittels reibungsarmer Polymer-Flachdichtungen (nicht dargestellt) erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 12
- Statorspirale
- 14
- Boden der Statorspirale
- 16
- Begrenzungswand der Statorspirale
- 18
- Dichtelement der Statorspirale
- 20
- Spiralwand der Statorspirale
- 22
- Spiralwand der Rotorspirale
- 24
- Rotorspirale
- 26
- Boden der Rotorspirale
- 28
- Drehlagerelement
- 30
- Antriebswelle
- 32
- Endabschnitt der Antriebswelle
- 34
- Hauptabschnitt der Antriebswelle
- 36
- Elektrischer Antriebsmotor
- 38
- Rotor des Antriebsmotors
- 40
- Stator des Antriebsmotors
- 42
- Leistungselektronik
- 44
- Austrittsöffnung
- 46
- Hochdruckraum
- 48
- Ventil
- 50
- Federlasche des Rückschlagventils
- 52
- Schraube
- 54
- Überströmkanal
- 56
- Ölabscheider
- 58
- Abscheideraum des Ölabscheiders
- 60
- Tauchrohr des Ölabscheiders
- 62
- Ölrückführung
- 64
- Auslass
- 66
- Saugraum
- 68
- Einlass
- 70
- Zuführkanal
- 72
- Verdichtungsraum
- 74
- Mitteldruckkanal
- 76
- Rotationsachse der Antriebwelle/Orbitachse der Rotorspirale
- 78
- Mitteldruckraum
- 80
- Dichtelement der Rotorspirale
- 82
- Drosselelement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012104045 A1 [0007, 0008, 0008, 0010, 0013, 0013]
- EP 1059448 B1 [0009]
- EP 1158166 B1 [0009]
