DE102016218396A1

DE102016218396A1 - Elektromotorischer Kältemittelverdichter

Info

Publication number: DE102016218396A1
Application number: DE102016218396.6A
Authority: DE
Inventors: Björn Fagerli
Original assignee: Obrist Engineering GmbH; Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: OET GmbH
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2036-09-24
Also published as: DE102016206511B4; US10947975B2; DE102016204756B4; US20190113034A1; DE102016208542A1; DE102016215166A1; DE102016204756A1; CN108700066A; DE202016008176U1; WO2017108574A1; DE102016206511A1; CN108700066B; WO2017108572A1; DE102016218396B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Kältemittelverdichter (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugs (2), mit einer Hochdruckseite (68), mit einer Niederdruckseite (66), und mit einem fluidtechnisch dazwischen angeordneten und mittels eines Elektromotors (30) angetriebenen Verdichter (54). Der Verdichter (54) weist ein erstes Verdichterteil (56) auf, das mittels einer Backpressure-Kammer (62) druckbeaufschlagt ist. Die Hochdruckseite (68) ist mittels eines ersten Drosselorgans (80) fluidtechnisch mit der Backpressure-Kammer (62) verbunden, und die Backpressure-Kammer (62) ist mittels einer Druckregelvorrichtung (82) fluidtechnisch mit der Niederdruckseite (66) verbunden. Die Druckregelvorrichtung (82) weist ein Rückschlagventil (84) und diesem fluidtechnisch nachgeschaltet ein zweites Drosselorgan (86) auf. Die Erfindung betrifft ferner eine Druckregelvorrichtung (82).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Kältemittelverdichter mit einer Hochdruckseite, mit einer Niederdruckseite, und mit einem fluidtechnisch dazwischen angeordneten und mittels eines Elektromotors angetriebenen Verdichter. Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist bevorzugt ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner eine Druckregelvorrichtung.
Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Klimaanlage auf, mittels derer eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs erfolgt. Bei mittels eines Elektromotors angetriebenen Kraftfahrzeugen werden die benötigten Energiespeicher, wie eine Hochvoltbatterie, mittels einer Klimaanlage gekühlt. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Kältemittelverdichter und diesem nachgeschaltet einen Verflüssiger sowie diesem fluidtechnisch nachgeschaltet ein Expansionsventil umfasst. Diesem ist fluidtechnisch ein Verdampfer nachgeschaltet, der in thermischem Kontakt mit etwaigen Energiezellen des Hochvoltenergiespeichers oder mit einer Gebläseleitung ist, die in den Innenraum des Kraftfahrzeugs führt. Der Kältekreislauf ist mit einem Kältemittel befüllt, wie R134a, R1234yf oder CO2.
Bei Betrieb wird mittels des Kältemittelverdichters ein Druck des Kältemittels erhöht, was zu einer Temperaturerhöhung des Kältemittels führt. Dieses wird zu dem Verflüssiger geleitet, der in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Hierbei erfolgt eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels, welches mittels des nachgeschalteten Expansionsventils wiederum auf den ursprünglichen Druck entspannt wird, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten Verdampfer wird von dem mit dem Verdampfer thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
Der Kältemittelverdichter weist z.B. einen mittels eines Elektromotors angetriebenen Verdichter auf, der beispielsweise ein Scrollverdichter ist. Bei Betrieb wird das entspannte und erwärmte Kältemittel von der B-Seite des Elektromotors durch den Elektromotor zwischen dem Stator und dem Rotor hindurch zu der A-Seite des Elektromotors geleitet. Das Kältemittel wird in einen Scrollverdichter eingeleitet, der zwei Scrollverdichterteile aufweist, nämlich ein feststehendes und einen orbitierendes. Das orbitierende Scrollverdichterteil befindet sich zwischen dem Elektromotor und dem feststehenden Scrollverdichterteil und ist an der Welle des Elektromotors angebunden. Die beiden Scrollverdichterteile greifen ineinander, wobei aufgrund der orbitierenden Bewegung des Scrollverdichterteils das Fluid radial nach innen geführt und hierbei verdichtet wird.
Damit das orbitierende Scrollverdichterteil gegen das feststehende Scrollverdichterteil gepresst wird, wird üblicherweise ein Gasdruck in einer Backpressure-Kammer verwendet. Diese befindet sich zwischen dem orbitierenden Scrollverdichterteil und einem A-seitigen Lagerschild des Elektromotors. Das orbitierende Scrollverdichterteil ist folglich zwischen der Backpressure-Kammer und dem feststehenden Scrollverdichterteil angeordnet, wobei der in der Backpressure-Kammer vorhandene statische Druck das orbitierende Scrollverdichterteil gegen das feststehende Scrollverdichterteil drückt. Um einen ausreichenden Druck aufzubauen, wird üblicherweise sich auf der Hochdruckseite befindendes Kältemittel in die Backpressure-Kammer eingeleitet. Der Druck wird hierbei meist mittels einer Drosselvorrichtung geeignet reduziert.
Bei einem erhöhten Druck in der Backpressure-Kammer wird das orbitierende Scrollverdichterteil vergleichsweise stark gegen das feststehende Scrollverdichterteil gedrückt, was eine Reibung erhöht, und somit den Wirkungsgrad verringert. Bei einem zu niedrigen Druck ist keine Abdichtung zwischen dem feststehenden Scrollverdichterteil und dem orbitierenden Scrollverdichterteil im Bereich deren jeweiligen ineinandergreifenden Freienden gegeben, so dass keine Verdichterwirkung erzielt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten elektromotorischen Kältemittelverdichter sowie eine besonders geeignete Druckregelvorrichtung eines elektromotorischen Kältemittelverdichters anzugeben, wobei insbesondere eine Zuverlässigkeit und vorzugsweise ein Wirkungsgrad erhöht sind.
Hinsichtlich des elektromotorischen Kältemittelverdichters wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Druckregelvorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist geeigneterweise ein Bestandteil eines Kältemittelkreislauf mit einem (Klima-)Verflüssiger, sowie mit einem Expansionsventil. Der Verflüssiger (Kondensator) ist fluidtechnisch zwischen den elektromotorischen Kältemittelverdichter und das Expansionsventil geschaltet. Vorzugsweise umfasst der Kältemittelkreislauf einen Verdampfer, der zwischen das Expansionsventil und den elektromotorische Kältemittelverdichter geschaltet ist. Der Kältemittelkreislauf ist insbesondere mit einem Kältemittel befüllt, beispielsweise einem chemischen Kältemittel, wie R134a, R1234yf, oder mit CO2.
Mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Druck des Kältemittels erhöht, welches im Anschluss zu dem Verflüssiger geleitet wird, der vorzugsweise in thermischem Kontakt mit einer Umgebung ist. Vorzugsweise erfolgt mittels des Verflüssigers eine Temperaturangleichung des Kältemittels an die Umgebungstemperatur oder zumindest eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels. Mit dem nachgeschalteten Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten Verdampfer wird von einem mit dem Verdampfer thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und zweckmäßigerweise eines Kältemittelkreislaufs des Kraftfahrzeugs, mittels dessen bei Betrieb beispielsweise eine Temperierung des Innenraums des Kraftfahrzeugs und/oder eine Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erfolgt. Hierbei ist vorzugsweise der etwaige Verdampfer thermisch mit einem weiteren Bauteil des Kraftfahrzeugs kontaktiert ist, wie einer Gebläseleitung einer Klimaanlage oder einem Energiespeicher, wie einem Hochvoltenergiespeicher, oder einem weiteren Wärmetauscher.
Geeigneterweise ist der elektromotorische Kältemittelverdichter im Montagezustand mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert und wird mittels dessen bestromt. Insbesondere ist der elektromotorische Kältemittelverdichter hierfür geeignet. Beispielswiese ist das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ein Niedervoltbordnetz und führt beispielsweise eine elektrische Spannung von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt. Alternativ hierzu beträgt die elektrische Spannung die bei Betrieb an dem elektromotorischen Kältemittelverdichter anliegt bzw. die das Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufweist, 288 Volt, 450 Volt, 650 Volt oder 830 Volt.
Der elektromotorische Kältemittelverdichter umfasst einen Verdichter, beispielsweise einen Scroll-Verdichter. Der Verdichter ist insbesondere vorgesehen und eingerichtet, bei Betrieb ein Kältemittel zu verdichten, zum Beispiel ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ wird als Kältemittel CO2 herangezogen. Der Verdichter weist ein erstes Verdichterteil auf. Vorzugsweise umfasst der Verdichter ein zweites Verdichterteil, wobei das erste Verdichterteil bezüglich des zweiten Verdichterteils insbesondere derart angeordnet ist, dass bei einer Bewegung des ersten Verdichterteils bezüglich des zweiten Verdichterteils ein sich dazwischen befindendes Kältemittel verdichtet wird. Hierfür wird insbesondere ein Raum zwischen den beiden Verdichterteilen verändert. Geeigneterweise ist hierbei eine Stoß- oder Anlagefläche (Endseite oder Flanke) der beiden Verdichterteile abgedichtet, beispielsweise mittels einer Flüssigkeit. Das zweite Verdichterteil ist vorzugsweise starr an einem Gehäuse des elektromotorischen Kältemittelverdichters befestigt. Das erste Verdichterteil ist insbesondere geeignet geführt, sodass dieses eine orbitierende Bewegung ausführen kann. Zweckmäßigerweise sind die beiden Verdichterteile Scrollverdichterteile, und das erste Verdichterteil ist ein orbitierendes Scrollverdichterteil, und das zweite Verdichterteil ist ein fixes Scrollverdichterteil.
Der Verdichter, insbesondere das erste Verdichterteil, ist mittels eines Elektromotors angetrieben, beispielsweise über einen Exzenter. Der Verdichter ist zweckmäßigerweise an einem Rotor des Elektromotors angebunden, zum Beispiel direkt oder indirekt über ein weiteres Bauteil, wie den Exzenter. Der Elektromotor ist bevorzugt bürstenlos ausgestaltet und insbesondere ein bürstenloser Elektromotor, beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Der Elektromotor weist somit zumindest eine elektrische Spule auf, mittels derer zumindest teilweise ein Elektromagnet gebildet ist. Die elektrische Spule (Wicklung, Motor- bzw. Phasenwicklung, Drehfeldwicklung) ist ein Bestandteil eines Stators des Elektromotors. Vorzugsweise umfasst der Stator eine Anzahl derartiger elektrischer Spulen, beispielsweise zwei, drei, sechs, zwölf, F.., wobei die elektrischen Spulen vorzugsweise zu elektrischen Phasen des Elektromotors verschaltet sind, wofür diese geeignet miteinander in einer Parallel- oder Reihenschaltung elektrisch kontaktiert sind. Die elektrischen Phasen selbst sind insbesondere in einer Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander elektrisch kontaktiert. Vorzugsweise ist der Elektromotor dreiphasig, sechsphasig oder zwölfphasig ausgestaltet. Der Stator umgibt beispielsweise den Rotor. Mit anderen Worten ist der Elektromotor ein Innenläufer. Alternativ ist der Elektromotor ein Außenläufer.
Der elektromotorische Kältemittelverdichter weist eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite auf, wobei zwischen diesen der Verdichter angeordnet ist. Bei Betrieb wird das Kältemittel von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite befördert, wobei das Kältemittel auf der Hochdruckseite einen im Vergleich zur Niederdruckseite erhöhten statischen Druck aufweist. Beispielsweise ist bei Betrieb der statische Druck auf der Hochdruckseite zwischen 5 bar und 25 bar. Auf Seiten der Niederdruckseite herrschen bei Betrieb vorzugsweise ein Druck zwischen 1 bar und 10 bar und ist beispielsweise im Wesentlichen (+/–10%, 5%, 2%, 1% oder 0,1%) gleich 1 bar, 2 bar, 4 bar, 5 bar, 6 bar oder 7 bar. Insbesondere liegt das Kältemittel teilweise in einer Gasphase vor.
Der elektromotorische Kältemittelverdichter weist ferner eine Backpressure-Kammer auf, mittels derer das erste Verdichterteil druckbeaufschlagt ist. Mit anderen Worten wirkt bei Betrieb des elektromotorischen Kältemittelverdichters eine Kraft auf das erste Verdichterteil, wobei diese Kraft mittels eines innerhalb der Backpressure-Kammer vorherrschenden (statischen) Drucks bereitgestellt ist. Zweckmäßigerweise verläuft eine Rotationsachse des Elektromotors durch die Backpressure-Kammer. Mit anderen Worten ist die Backpressure-Kammer im Wesentlichen mittig angeordnet, was einen Bauraum verringert. Die Backpressure-Kammer befindet sich vorzugsweise zwischen dem ersten Verdichterteil und einem A-seitigen Lagerschild des Elektromotors. Insbesondere bildet das erste Verdichterteil zumindest teilweise eine Wand der Backpressure-Kammer, oder das erste Verdichterteil ist an einer Wand der Backpressure-Kammer angebunden, insbesondere starr. Zweckmäßigerweise ist das erste Verdichterteil in Axialrichtung beweglich gelagert, zumindest um einen begrenzten Betrag, insbesondere weniger als 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 100 µm, 50 µm oder 10 µm. Geeigneterweise ist das erste Verdichterteil mittels der Backpressure-Kammer in Axialrichtung des Elektromotors druckbeaufschlagt, insbesondere senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des ersten Verdichterteils, sofern dieses mittels des Elektromotors bewegt wird. Geeigneterweise wird mittels der Backpressure-Kammer das erste Verdichterteil gegen das zweite Verdichterteil gepresst. Bei Betrieb herrscht in der Backpressure-Kammer ein statischer Druck, der zwischen dem auf der Hochdruckseite und dem auf der Niederdruckseite ist. Insbesondere ist bei Betrieb der in der Backpressure-Kammer vorliegende Druck zwischen 3 bar und 12 bar und insbesondere größer als 5 bar.
Die Hochdruckseite ist mittels eines ersten Drosselorgans fluidtechnisch mit der Backpressure-Kammer verbunden. Mit anderen Worten wird bei Betrieb der Hochdruckseite zumindest ein Teil des Kältemittels entnommen und zur Backpressure-Kammer geleitet. Hierbei wird mittels des ersten Drosselorgans der Druck des Kältemittels verringert. Beispielsweise ist das erste Drosselorgan ein Bestandteil einer Leitung, die auf der Hochdruckseite und in der Backpressure-Kammer mündet. Insbesondere ist das erste Drosselorgan fluidtechnisch mit einem Bereich der Hochdruckseite verbunden, der einen vergleichsweise konstanten Druck aufweist. Zumindest jedoch weist der Druck in diesem Bereich eine maximale Schwankung von 10%, 5% oder 2% des auf der Hochdruckseite herrschenden Drucks auf. Die Backpressure-Kammer selbst ist mittels einer Druckregelvorrichtung fluidtechnisch mit der Niederdruckseite verbunden. Die Druckregelvorrichtung weist ein Rückschlagventil und diesem fluidtechnisch nachgeschaltet ein zweites Drosselorgan auf. Mit anderen Worten befindet sich das zweite Drosselorgan zwischen dem Rückschlagventil und der Niederdruckseite. Das Rückschlagventil ist insbesondere derart eingestellt, dass dieses erst öffnet, wenn der statische Druck innerhalb der Backpressure-Kammer um einen bestimmten Schwellwert größer ist als der statische Druck auf der Niederdruckseite. Mit anderen Worten ist das Rückschlagventil geeigneterweise derart eingestellt, dass dieses geschlossen ist, sofern der Druck innerhalb der Backpressure-Kammer geringer als der Schwellwert zuzüglich des Drucks auf der Niederdruckseite ist. Bei Überschreiten des in der Backpressure-Kammer herrschenden Drucks von dem Schwellwert zuzüglich des Drucks auf der Niederdruckseite wird das Rückschlagventil hingegen geöffnet. Der Schwellwert ist beispielsweise zwischen 2 bar und 4 bar und insbesondere gleich 3 bar.
Bei Betrieb wird das entspannte und erwärmte Kältemittel in den Verdichter eingeleitet, der insbesondere die zwei Scrollverdichterteile aufweist, nämlich das feststehenden zweiten Verdichterteil und das orbitierende ersten Verdichterteil. Das angetrieben erste Verdichterteil befindet sich mechanisch insbesondere zwischen dem Elektromotor und dem feststehenden zweiten (Scroll-)Verdichterteil. Die beiden Verdichterteile greifen ineinander, wobei aufgrund der orbitierenden Bewegung des orbitierenden ersten Verdichterteils das Kältemittel radial nach innen geführt und hierbei verdichtet wird.
Aufgrund der Backpressure-Kammer wird das (orbitierende) erste Verdichterteil gegen das (feststehenden) zweiten Verdichterteil gepresst. Die Backpressure-Kammer befindet sich vorzugsweise radial mittig und zwischen dem ersten Verdichterteil und einem A-seitigen Lagerschild des Elektromotors. Das erste Verdichterteil ist folglich zwischen der Backpressure-Kammer und dem zweiten Verdichterteil angeordnet, wobei der in der Backpressure-Kammer vorhandene statische Druck das ersten Verdichterteil gegen das zweite Scrollverdichterteil drückt.
Aufgrund des ersten und des zweiten Drosselorgans kann der statische Druck des sich in der Backpressure-Kammer befindenden Kältemittels vergleichsweise präzise eingestellt werden. Auch ist es ermöglicht, einen variablen Druck innerhalb der Backpressure-Kammer einzustellen. Zusammenfassend ist es aufgrund des ersten und des zweiten Drosselorgans ermöglicht, den Druck innerhalb der Backpressure-Kammer zu regeln. Hierbei kann der Druck in der Backpressure-Kammer variabel abhängig von dem Druck auf der Hochdruckseite eingestellt werden.
Zweckmäßigerweise ist der elektromotorische Kältemittelverdichter derartig betrieben und/oder derart gefertigt, dass der statische Druck in der Backpressure-Kammer bei Betrieb in Abhängigkeit des Drucks auf der Hochdruck- und/oder Niederdruckseite eingestellt wird. Somit wird das erste Verdichterteil lediglich mit einem bestimmten Druck beaufschlagt, weswegen etwaige Reibkräfte begrenzt sind, was den Wirkungsgrad erhöht. Wegen des Rückschlagventils ist auch bei einem Anlauf des elektromotorischen Kältemittelverdichters ein vergleichsweise schneller Druckaufbau in der Backpressure-Kammer (Mitteldruckbereich) gegeben, weswegen eine Zuverlässigkeit erhöht ist. Zusammenfassend ist aufgrund des Rückschlagventils ist ein vergleichsweise schneller Druckaufbau innerhalb der Backpressure-Kammer nach einem Start des Betriebs realisiert, sodass das erste Verdichterteil bereits vergleichsweise früh mittels eines erhöhten, in der Backpressure-Kammer vorherrschenden Drucks beaufschlagt wird. Da das zweite Drosselorgan dem Rückschlagventil nachgeschaltet ist, weist das der Niederdruckseite zugeleitete Kältemittel einen geringeren Druck auf als innerhalb der Backpressure-Kammer vorherrscht.
Beispielsweise weist der Elektromotor das A-seitiges Lagerschild auf, das mittels einer Backpressure-Platte abgedeckt ist, entlang derer das erste Verdichterteil bewegt wird. Das erste Verdichterteil weist zweckmäßigerweise auf Seiten der Backpressure-Platte ein Abdichtelement auf, beispielsweise eine Dichtung, weswegen zwischen der Backpressure-Platte und dem ersten Verdichterteil aus der Backpressure-Kammer im Wesentlichen kein Kältemittel entweichen kann. Die Backpressure-Kammer ist hierbei zwischen der Backpressure-Platte und dem ersten Verdichterteil gebildet, das beispielsweise die Backpressure-Kammer topfförmig umschließt, wobei die Topföffnung des ersten Verdichterteils mittels der Backpressure-Platte abgedeckt ist. Der Elektromotor weist vorzugsweise ein Bseitiges Lagerschild auf, wobei das Kältemittel insbesondere auf Seiten des Bseitigen Lagerschilds in den Elektromotor eingeleitet und von dort zwischen dem Stator und einem etwaigen Rotor zum A-seitigen Lagerschild geleitet wird. Insbesondere wird das Kältemittel durch eine Öffnung des A-seitigen Lagerschilds in den Verdichter geleitet.
Insbesondere weist der elektromotorische Kältemittelverdichter auf der Hochdruckseite einen Ölabscheider auf, und innerhalb des Elektromotors und/oder des Verdichters ist ein bestimmter Anteil an einem Schmiermittel, wie Öl, vorhanden, welcher bei Betrieb mit dem Kältemittel vermischt wird. Hierbei dient das Schmiermittel (Öl) der Schmierung des Verdichters, insbesondre des ersten Verdichterteils und/oder des zweiten Verdichterteils, wobei das erste Verdichterteil bei Betrieb sowohl in axialer als auch in radialer Richtung an dem zweiten Verdichterteil reibt. Mittels des Schmiermittels wird vorzugsweise ferner eine Abdichtungsfunktion erfüllt, sodass aus etwaigen, mithilfe des ersten Verdichterteils gebildeten und sich zeitlich verändernden Kammern des Verdichters kein Kältemittel oder lediglich in verringertem Maße entweichen kann, was den Wirkungsgrad erhöht.
Vorzugsweise ist die Druckregelvorrichtung innerhalb einer Welle des Elektromotors angeordnet, wobei die Welle beispielsweise mittels eines Lagers, vorzugsweise zweier Lager, drehbar gelagert ist. Das bzw. die Lager sind beispielsweise als Wälzlager, insbesondere Kugellager, ausgestaltet und/oder an dem A-seitigen Lagerschild bzw. dem B-seitigen Lagerschild angebunden. An der Welle selbst ist insbesondere ein Rotor des Elektromotors befestigt, beispielsweise ein Blechpaket des Rotors, an dem oder innerhalb dessen zweckmäßigerweise Permanentmagneten angebunden sind. Insbesondere ist die Druckregelvorrichtung in die Welle des Elektromotors eingepresst, die beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Stahl, erstellt ist. Auf diese Weise wird die Druckregelvorrichtung mit der Welle bei einer Rotation der Welle bewegt, und ein benötigter Bauraum ist verringert. Insbesondere ist die Druckregelvorrichtung rotationssymmetrisch ausgestaltet, zumindest jedoch drehsymmetrisch, und die Symmetrieachse fällt insbesondere mit der Rotationsachse der Welle zusammen. Auf diese Weise sind Unwuchten vermieden. Alternativ hierzu ist die Welle feststehend und der Rotor ist mittels zumindest eines Lagers, beispielsweise eines Gleit- oder Wälzlagers, wie eines Kugellagers, drehbar um die feststehende Welle gelagert, die insbesondere eine Achse ist. Beispielsweise mündet die Druckregelvorrichtung stets im Bereich eines Lagers auf der Niederdruckseite, sodass – sofern das Kältemittel mit einem Schmiermittel, wie Öl, vermischt ist – dieses im Bereich dieses Lagers aus der Druckregelvorrichtung austritt, und folglich dieses Lager bei Betrieb schmiert, was einen Wirkungsgrad weiter erhöht.
Alternativ oder in Kombination hierzu weist die Druckregelvorrichtung einen Filter auf, der dem Rückschlagventil fluidtechnisch vorgeschaltet ist. Insbesondere ist der Filter ein Partikelfilter. Zweckmäßigerweise ist der Filter derart eingestellt, dass Partikel, die zu einer Verstopfung oder Funktionsbeeinträchtigung des Rückschlagventils führen könnten, den Filter nicht passieren können. Sofern die Druckregelvorrichtung innerhalb der Welle des Elektromotors angeordnet ist und bei Betrieb rotiert wird, ist der Filter beispielsweise nach Art eines Rotationsabscheiders, Trägheitsabscheiders oder Fliehkraftabscheiders ausgestaltet, was ein Verstopfen des Filters selbst vermeidet. Somit ist eine Zuverlässigkeit des elektromotorischen Kältemittelverdichters weiter erhöht.
Die Druckregelvorrichtung ist vorzugsweise ein separates Bauteil, welches unabhängig von weiteren Bestandteilen des elektromotorischen Kältemittelverdichters gefertigt werden kann, was Herstellungskosten reduziert. Insbesondere umfasst die Druckregelvorrichtung einen ersten Rohrabschnitt und einen zweiten Rohrabschnitt, die beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Metall, insbesondere Stahl, gefertigt sind. Beispielsweise ist der erste Rohrabschnitt im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet. Der erste Rohrabschnitt ist in eine erste Aufnahme des zweiten Rohrabschnitts gesteckt, wobei eine Öffnung des ersten Rohrabschnitts innerhalb der ersten Aufnahme des zweiten Rohrabschnitts mündet. Innerhalb der Aufnahme ist eine Kugel des Rückschlagventils angeordnet, welches mittels einer Feder, die ebenfalls in der Aufnahme angeordnet ist, gegen die Öffnung des ersten Rohrabschnitts gepresst wird. Die Feder ist insbesondere eine Schraubenfeder, mittels derer bei einem Zusammenstauchen zweckmäßigerweise eine Druckkraft bereitgestellt ist. Sofern die Kugel an der Öffnung des ersten Rohrabschnitts anliegt, ist ein Durchtritt von Kältemittel durch den ersten Rohrabschnitt unterbunden. Sofern der Druck innerhalb des ersten Rohrabschnitts einen bestimmten Betrag, der mittels der Federhärte der Feder eingestellt ist, übersteigt, wird die Kugel von der Öffnung wegbewegt und ein Durchtritt von Kältemittel durch die Öffnung in die Aufnahme ist ermöglicht. Aufgrund der Feder und der Kugel ist die Herstellung des Rückschlagventils vergleichsweise kostengünstig, wobei die Montage aufgrund der Steckverbindung zwischen dem ersten und zweiten Rohrabschnitt vergleichsweise einfach ist, was Herstellungskosten reduziert.
Die Öffnung des ersten Rohrabschnitts ist beispielsweise kreisrund und weist einen geringeren Durchmesser als die Kugel auf. Die erste Aufnahme selbst ist zweckmäßigerweise zylinderförmig ausgestaltet und weist einen Durchmesser auf, der größer als der der Kugel ist. Geeigneterweise ist die Steckverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrabschnitt druckdicht ausgestaltet, sodass ein Entweichen von sich in der ersten Aufnahme befindendem Kältemittel zwischen den ersten und zweiten Rohrabschnitt hindurch unterbunden ist. Zweckmäßigerweise ist der erste Rohrabschnitt auf den Filter gesteckt oder der Filter ist auf den ersten Rohrabschnitt gesteckt, sofern der Filter vorhanden ist. Auf diese Weise ist eine Fertigung der Druckregelvorrichtung vereinfacht.
Beispielsweise weist die erste Aufnahme einen Boden auf. Mit anderen Worten ist die erste Aufnahme sacklochartig ausgestaltet, wobei die Öffnung der Aufnahme mittels des ersten Rohrabschnitts zweckmäßigerweise verschlossen ist. Mit anderen Worten umgreift der zweite Rohrabschnitt den ersten Rohrabschnitt im Bereich dessen Öffnung. Der Boden selbst umfasst geeigneterweise eine topfförmige Vertiefung. Innerhalb der topfförmigen Vertiefung ist ein Ende der Feder angeordnet. Die topfförmige Vertiefung selbst weist einen verringerten Durchmesser auf, und die Feder ist insbesondere innerhalb der topfförmigen Vertiefung gehalten. Zweckmäßigerweise weist die topfförmige Vertiefung im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Feder auf. Insbesondere liegt die Feder endseitig unter Spielpassung innerhalb der Vertiefung ein. Aufgrund der Vertiefung ist die Feder stabilisiert, sodass eine große Anzahl von Betätigungen mittels eines Rückschlagventils ausgeführt werden kann. Geeigneterweise mündet ein Führungskanal innerhalb der topfförmigen Vertiefung, innerhalb derer ein Führungsstab angeordnet ist, wobei die Feder zweckmäßigerweise den Führungsstab zumindest teilweise umfangsseitig umgibt. Mittels des Führungsstabes wird eine unkontrollierte Bewegung der Feder vermieden, beispielsweise ein Abknicken, was die Zuverlässigkeit weiter erhöht.
Die Druckregelvorrichtung weist insbesondere einen Kanal auf, der fluidtechnisch in der Aufnahme und vor dem zweiten Drosselorgan mündet. Folglich ist eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Aufnahme und dem zweiten Drosselorgan geschaffen, sodass ein etwaiges sich in der Aufnahme befindendes Kältemittel zu dem zweiten Drosselorgan geleitet werden kann, wo eine Druckerniedrigung bei Betrieb zweckmäßigerweise erfolgt. Insbesondere mündet der Kanal in der Vertiefung, zweckmäßigerweise an einem Rand der Vertiefung. Auf diese Weise ist ein Verschluss des Kanals mittels der Kugel aufgrund der Feder verhindert, sofern die Vertiefung einen geringeren Durchmesser als die Kugel aufweist. Folglich wird eine Fehlfunktion verhindert, was die Zuverlässigkeit weiter erhöht.
Insbesondere weist der Kanal einen ersten Kanalabschnitt auf, der in der Vertiefung mündet. Der Kanal weist ferner einen zweiten Kanalabschnitt auf, der vor dem Drosselorgan mündet. Der erste Kanalabschnitt verläuft vorzugsweise im Wesentlichen in radialer Richtung, zweckmäßigerweise radial nach außen. Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu verläuft der zweite Kanalabschnitt radial nach außen oder zumindest in einer radialen Richtung, insbesondere sofern die Druckregelvorrichtung innerhalb der Welle des Elektromotors positioniert ist. Der erste und der zweite Kanalabschnitt sind mittels eines dritten Kanalabschnitts fluidtechnisch verbunden. Der dritte Kanalabschnitt selbst befindet sich an einem äußeren Rand des zweiten Rohrabschnitts. Insbesondere verläuft der dritte Kanalabschnitt nicht innerhalb des zweiten Rohrabschnitts, und eine Außenwand des zweiten Rohrabschnitts bildet vorzugsweise eine Begrenzung des dritten Kanalabschnitts. Der dritte Kanalabschnitt wird besonders bevorzugt mittels der Welle weiter begrenzt, sofern die Druckregelvorrichtung innerhalb der Welle des Elektromotors positioniert ist. Mit anderen Worten wird die Außenwand des dritten Kanalabschnitts teilweise mittels des zweiten Rohrabschnitts und teilweise mittels der Welle des Elektromotors gebildet. Auf diese Weise ist eine Fertigung der Druckregelvorrichtung vereinfacht.
Insbesondere weist der zweite Rohrabschnitt eine zweite Aufnahme auf, in der das zweite Drosselorgan angeordnet ist. Beispielsweise befinden sich die erste Aufnahme und die zweite Aufnahme an gegenüberliegenden (axialen) Enden des zweiten Rohrabschnitts. Vorzugsweise ist das zweite Drosselorgan in die zweite Aufnahme gepresst. Mit anderen Worten ist zwischen dem zweiten Drosselorgan und dem zweiten Rohrabschnitt eine Presspassung erstellt, was eine Abdichtung vereinfacht. Beispielsweise ist die zweite Aufnahme topfförmig ausgestaltet. Geeigneterweise ist der Topfboden mittels eines Dichtrings zumindest teilweise abgedeckt, was die Abdichtung zwischen dem zweiten Rohrabschnitt und dem zweiten Drosselorgan verbessert.
Das erste Drosselorgan dient der Verringerung eines statischen Drucks des Kältemittels, welches durch das erste Drosselorgan geleitet wird. Insbesondere ist das erste Drosselorgan ein Rohrabschnitt, welcher einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweist. Aufgrund des verringerten Durchmessers ist eine Durchflussmenge begrenzt. Auch wird eine Geschwindigkeit des durch das erste Drosselorgan geleiteten Kältemittels erhöht, welches nach Passagen des ersten Drosselorgans erneut abgebremst wird und somit einen verringerten statischen Druck aufweist. Beispielsweise ist das erste Drosselorgan eine Nut oder eine Düse. Besonders bevorzugt ist das erste Drosselorgan eine Blende. Mit anderen Worten weist das Drosselorgan einen Rohrabschnitt auf, der lediglich in einem vergleichsweise geringen Abschnitt einen verringerten Durchmesser aufweist. Vorzugsweise ist die Länge zwischen 0,1 mm und 4 mm, zwischen 0,1 mm und 2 mm und insbesondere im Wesentlichen gleich 1 mm. Der Durchmesser ist geeigneterweise zwischen 0,1 mm und 0,6 mm und insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,45 mm. Beispielsweise ist die Länge des verringerten Durchmessers kleiner als der Durchmesser selbst, beispielsweise kleiner als die Hälfte des Durchmessers. Auf diese Weise erfolgt zudem eine Zerstäubung eines etwaigen innerhalb des Kältemittels vorhandenen Schmierstoffs, wie Öl, sodass ein Öl-Nebel gebildet ist, welcher zur Schmierung von etwaigen weiteren Komponenten herangezogen werden kann. Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu ist das zweite Drosselorgan eine Blende. Aufgrund der Ausgestaltung als Blende ist ein benötigter Bauraum reduziert. Aufgrund der Verwendung von Blenden ist der durch diese geleitete Volumenstrom im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur des Kältemittels, sodass diese über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich betrieben werden kann. Alternativ hierzu ist das zweite Drosselorgan eine Düse oder ein Rohrabschnitt mit verringertem Durchmesser.
Besonders bevorzugt weist die Backpressure-Kammer lediglich zwei Eingänge auf, wobei durch jeden der Eingänge das Kältemittel in die Backpressure-Kammer entweder ein- oder austreten kann. Außer durch die Eingänge ist ein Ein- bzw. Austritt des Kältemittels aus der Backpressure-Kammer nicht möglich. Auf diese Weise ist eine Konstruktion vereinfacht. Hierbei ist einer der Eingänge dem ersten Drosselorgan und der andere Eingang der Druckregelvorrichtung zugeordnet. Folglich tritt über den einen Eingang das Kältemittel von der Hochdruckseite, dessen Druck aufgrund des ersten Drosselorgans reduziert ist, in die Backpressure-Kammer ein. Durch den anderen Eingang (Ausgang) wird das Kältemittel zu der Druckregelvorrichtung geleitet und von dort zur Niederdruckseite, sofern das Rückschlagventil geöffnet ist.
Besonders bevorzugt ist die Hochdruckseite mittels eines Bypasskanals fluidtechnisch mit der Niederdruckseite verbunden. Hierbei führt der Bypasskanal direkt von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite unter Umgehung der Backpressure-Kammer. Mit anderen Worten ist der Bypasskanal parallel zu der Backpressure-Kammer geschaltet. Der Bypasskanal weist vorzugsweise ein drittes Drosselorgan auf, mittels dessen eine Druckreduzierung erfolgt. Insbesondere ist die Druckerniedrigung mittels des dritten Drosselorgans größer als die mittels des ersten oder des zweiten Drosselorgans und im Wesentlichen gleich der Druckerniedrigung der Summe aus dem ersten und dem zweiten Drosselorgan. Insbesondere mündet der Bypasskanal auf der Hochdruckseite in dem Ölabscheider, beispielsweise einem Ölreservoir des Ölabscheiders, sofern dieser vorhanden ist. Vorzugsweise geht ein Ölreservoir in den Bypasskanal über. Zweckmäßigerweise wird bei Betrieb mittels des Bypasskanals Schmiermittel (Öl) von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite transportiert. Auf diese Weise kann der elektromotorische Kältemittelverdichter mit einer vergleichsweise großen Menge an Schmiermittel betrieben werden, was eine Reibung vergleichsweise stark reduziert. Zudem wird eine Abdichtung innerhalb des Verdichters verbessert. Aufgrund des Bypasskanals wird das Schmiermittel hierbei nicht in die Backpressure-Kammer oder jedoch lediglich in vergleichsweise geringem Maße geleitet, weswegen die Funktion der Backpressure-Kammer verbessert ist, insbesondere sofern als Schmiermittel eine im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit verwendet wird.
Die Druckregelvorrichtung ist vorgesehen und eingerichtet, eine Backpressure-Kammer eines elektromotorischen Kältemittelverdichters fluidtechnisch mit einer Niederdruckseite zu verbinden. Der elektromotorische Kältemittelverdichter weist ferner eine Hochdruckseite und einen mittels eines Elektromotors angetriebenen Verdichter auf, der fluidtechnisch zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite angeordnet ist, und der ein erstes Verdichterteil umfasst. Das erste Verdichterteil ist bei Betrieb mittels der Backpressure-Kammer druckbeaufschlagt ist, wobei die Hochdruckseite mittels eines ersten Drosselorgans fluidtechnisch mit der Backpressure-Kammer verbunden ist. Die Druckregelvorrichtung weist ein Rückschlagventil und diesem fluidtechnisch nachgeschaltet ein zweites Drosselorgan auf. Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist bevorzugt ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und insbesondere ein Bestandteil einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem derartigen elektromotorischen Kältemittelverdichter.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Kältemittelverdichter,
2 in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht den eine Backpressure-Kammer aufweisenden elektromotorischen Kältemittelverdichter,
3 schematisch vereinfacht ein Flussdiagramm des elektromotorischen Kältemittelverdichters,
4 ein Druck-Massenstrom-Diagramm der Backpressure-Kammer,
5 in einer Schnittdarstellung den elektromotorischen Kältemittelverdichter mit einer Druckregelvorrichtung,
6 in einer Schnittdarstellung die Druckregelvorrichtung, und
7 in einer Schnittdarstellung die innerhalb einer Welle montierte Druckregelvorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei Vorderrädern 4 und zwei Hinterrädern 6 dargestellt. Zumindest zwei der Räder 4, 6 sind mittels eines nicht näher gezeigten Hauptantriebs angetrieben, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder einer Kombination hieraus. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst einen Kältemittelkreislauf 8, der ein Bestandteil einer Klimaanlage 10 ist. Der Kältemittelkreislauf 8 ist mit einem Kältemittel befüllt, beispielsweise CO2, R1234yf oder R134a. Mittels eines elektromotorischen Kältemittelverdichters (eKMV) 12 wird das Kältemittel verdichtet und einem fluidtechnisch nachgeschalteten Verflüssiger 14 zugeführt, der mit Umgebungsluft beaufschlagt ist, was zu einer Temperaturabsenkung des Kältemittels führt. Der Druck und somit die Temperatur des Kältemittel wird mittels eines nachgeschalteten Expansionsventils 16 erniedrigt, der einen nicht näher dargestellten weiteren Wärmtauscher umfasst, der mit einer Gebläseleitung der Klimaanlage thermisch gekoppelt ist. Die Gebläseleitung fördert in Abhängigkeit einer Benutzereinstellung gekühlte Luft in einen Innenraum des Kraftfahrzeugs 2.
Der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 ist mittels eines Bus-Systems 18, das ein CAN-Bus-System oder ein Lin-Bus-System ist, signaltechnisch mit einer Kraftfahrzeugsteuerung 20 gekoppelt, wie einem Bordcomputer. Mittels eines (elektrischen) Bordnetzes 22, welches die jeweilige elektrische Spannung, beispielsweise 48V, führt und mittels einer Batterie 24 gespeist ist, wird der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 bestromt. Das Bordnetz 22 umfasst ferner eine Sicherungseinrichtung 26, mittels derer ein elektrischer Stromfluss zwischen der Batterie 24 und dem Kältemittelverdichter 12 unterbunden werden kann. Hierfür weist die Sicherungseinrichtung 26 beispielsweise einen Last- und/oder Schutzschalter auf. Die Sicherungseinrichtung 26 ist mittels des Bus-Systems 18 signaltechnisch mit der Kraftfahrzeugsteuerung 20 verbunden, sodass mittels der Kraftfahrzeugsteuerung 20 der Last- bzw. Schutzschalter betätigt und somit der elektrische Stromfluss unterbunden werden kann.
2 zeigt den elektromotorischen Kältemittelverdichter 12 in einer Schnittdarstellung entlang einer Rotationsachse 28 eines Elektromotors 30 des Kältemittelverdichters 12. Der Elektromotor 30 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) und weist einen zylindrischen Rotor 32 auf, der umfangsseitig mittels eines hohlzylindrischen Stators 34 umgeben ist. Der Rotor 32 umfasst eine Anzahl an Permanentmagneten und ist mittels einer Welle 36 drehbar um die Rotationsachse 28 gelagert. Der Stator 34 weist eine Anzahl von elektrischen Spulen auf, die mittels einer Elektronik 38 bestromt sind, die mit dem Bus-Systems 18 und dem Bordnetz 22 verbunden ist.
Die Elektronik 38 ist in einem Elektronikfach 40 eines Gehäuses 42 angeordnet, das von dem Stator 34, und dem Rotor 32 mittels einer Gehäusewand 44 getrennt ist, die senkrecht zur Rotationsachse 28 ist. Auf der der Gehäusewand 44 in axialer Richtung, also parallel zur Rotationsachse 28, gegenüberliegenden Seite umfasst das Elektronikfach 40 einen aus einem Metall gefertigten Gehäusedeckel 54, der mittels Schrauben an weiteren Bestandteilen des Elektronikfachs 40 lösbar befestigt ist, und welcher eine Öffnung des Elektronikfachs 40 verschließt. Die Elektronik 38 weist eine Leiterplatte 48 und eine weitere Leiterplatte 50 auf, die in Axialrichtung übereinander angeordnet sind. Die Leiterplatte 48 ist in einer Ebene und parallel zur Gehäusewand 44 sowie parallel zum Gehäusedeckel 46 und parallel zur weiteren Leiterplatte 50 angeordnet. Die Leiterplatte 48 ist zwischen der weiteren Leiterplatte 50 und der Gehäusewand 44 positioniert. Durch die Gehäusewand 44 sind Bestromungsleitungen 52 geführt, mittels derer die elektrischen Spulen des Stators 34 mit einer Brückenschaltung der Leiterplatte 48 elektrisch kontaktiert sind. Die Brückenschaltung wird mittels des Bordnetzes 22 gespeist und mittels einer Ansteuerschaltung der weiteren Leiterplatte 50 gesteuert, die signaltechnisch mit dem Bus-System 18 verbunden ist.
Mittels des Elektromotors 30 ist ein Verdichter 54 angetrieben. Hierfür ist ein erstes Verdichterteil 56 mittels eines nicht näher dargestellten Exzenters an der Welle 36 des Elektromotors 30 befestigt, die durch ein A-seitiges Lagerschild 58 geführt ist. Der Verdichter 54 befindet sich auf der dem Rotor 32 gegenüberliegenden Seite des A-seitigen Lagerschilds 58. Der Verdichter 54 ist ein Scrollverdichter und weist ein zweites Verdichterteil 60 auf, das starr an dem Gehäuse 54 befestigt ist. Das erste und der zweite Verdichterteil 56, 60 greifen ineinander, wobei zwischen diesen Kammern gebildet sind, deren Volumen bei Betrieb des Elektromotors 30 verändert wird. Zwischen dem A-seitigen Lagerschild 58 und dem ersten Verdichterteil 56 befindet sich eine Backpressure-Kammer 62. Bei einem erhöhten statischen Druck innerhalb der Backpressure-Kammer 62 wird das erste Verdichterteil 56 entlang der Rotationsachse 28 gegen das feststehende zweite Verdichterteil 60 gepresst.
Bei Betrieb wird das Kältemittel durch einen Zulauf 64 des Gehäuses 42, welches ein Aluminium-Druckgussteil ist, in das Gehäuse 30 eingeleitet, und zwar in den Teil, innerhalb dessen der Stator 34 sowie der Rotor 32 angeordnet sind. Dieser Bereich des Gehäuses 34 bildet eine Niederdruckseite 66. Mittels der Gehäusewand 44 wird ein Eindringen des Kältemittels in das Elektronikfach 40 verhindert. Innerhalb des Gehäuses 34 wird das Kältemittel mit vorhandenem Öl vermischt und entlang des Rotors 32 / Stators 34 durch eine Öffnung 66 innerhalb des A-seitigen Lagerschilds 58 zu dem Verdichter 54 gesaugt. Mittels des Verdichters 54 wird das Gemisch aus Kältemittel und Öl verdichtet, wobei das Öl der Schmierung der beiden Verdichterteile 56, 60 dient, sodass eine Reibung verringert und folglich ein Wirkungsgrad erhöht ist. Auch dient das Öl der Abdichtung, weswegen das in den zwischen den beiden Verdichterteilen 56, 60 angeordnete Kältemittel zwischen diesen nicht unkontrolliert entweichen kann.
Das verdichtete Gemisch aus Kältemittel und Öl wird zu einer Hochdruckseite 68 geleitet, die einen Ölabscheider 70 aufweist, der ein Zyklonabscheider ist. Innerhalb des Ölabscheiders 70 wird das Gemisch aus Kältemittel und Öl in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei das schwerere Öl aufgrund der erhöhten Trägheit und erhöhten Masse zu den Wänden des Ölabscheiders 70 geleitet und hierdurch abgebremst wird. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Geschwindigkeit des Öls, welches sich aufgrund der erhöhten Masse in einem unteren Bereich des Ölabscheiders 70 sammelt. Das Kältemittel hingegen wird nach oben durch einen Abfluss 72 abgeführt. Das Öl wird mittels eines Bypasskanals 74, der im unteren Bereich des Ölabscheiders 70 mündet, erneut zu dem Elektromotor 30 geleitet. Mit anderen Worten ist die Hochdruckseite 68 mittels des Bypasskanals 74 fluidtechnisch mit der Niederdruckseite 66 verbunden. Der Bypasskanal 74 weist ein drittes Drosselorgan 76 in Form einer Blende auf. Ferner ist die Hochdruckseite 68 mittels einer Leitung 78, die ein erstes Drosselorgan 80, ebenfalls in Form einer Blende, aufweist, fluidtechnisch mit der Backpressure-Kammer 62 verbunden. Die Leitung 78 mündet in den Ölabscheider 70 in einem Bereich, der bei Betrieb im Wesentlichen lediglich das Kältemittel und kein Öl aufweist. Aufgrund des bei Betrieb vorherrschenden statischen Drucks innerhalb der Backpressure-Kammer 62 ist das erste Verdichterteil 56 druckbeaufschlagt und wird entlang der Rotationsachse 28 gegen das zweiten Verdichterteil 60 gepresst.
Die Backpressure-Kammer 62 ist mittels einer Druckregelvorrichtung 82 mit der Niederdruckseite 66 fluidtechnisch verbunden, die innerhalb der Welle 36 des Elektromotors 30 angeordnet ist. Die Backpressure-Kammer 62 weist lediglich zwei Eingänge 84 auf. Einer der Eingänge 84 ist mittels der Leitung 78 gebildet und folglich dem ersten Drosselorgan 80 zugeordnet. Der andere Eingang 84 ist mittels der Welle 26 gebildet und folglich der Druckregelvorrichtung 82 zugeordnet. Somit kann das Kältemittel/Öl lediglich mittels der Leitung 78 in die Backpressure-Kammer 62 eingeleitet und mittels der Welle 36 durch die Druckregelvorrichtung 82 aus der Backpressure-Kammer 62 abtransportiert werden.
In 3 ist schematisch vereinfacht ein Flussdiagramm des elektromotorischen Kältemittelverdichters 12 dargestellt. Die Niederdruckseite 66 ist mittels des Verdichters 54 mit der Hochdruckseite 68 verbunden, wobei mittels des Verdichters 54 die Druckerhöhung des Gemischs aus dem Kältemittel und dem Öl erfolgt. Mittels des Bypasskanals 74 wird das sich auf der Hochdruckseite 68 befindende Öl zur Niederdruckseite 66 geleitet, wobei mittels des dritten Drosselorgans 76 der Druck verringert und eine Durchflussmenge begrenzt wird, sodass das Kältemittel auch weiterhin durch den Abfluss 72 abtransportiert und nicht durch den Bypasskanal 74 erneut zur Niederdruckseite 66 geleitet wird. Mittels der Leitung 78, die das erste Drosselorgan 80 aufweist, ist die Hochdruckseite 68 mit der Backpressure-Kammer 62 fluidtechnisch gekoppelt, die wiederum mittels der Druckregelvorrichtung 82 mit der Niederdruckseite 66 fluidtechnisch gekoppelt ist. Die Druckregelvorrichtung 82 weist ein Rückschlagventil 84 und diesem nachgeschaltete ein zweites Drosselorgan 86 ebenfalls in Form einer Blende auf.
Von der Hochdruckseite 68 wird im Wesentlichen Kältemittel über die Backpressure-Kammer 62 zur Niederdruckseite 66 geleitet. Mittels des Bypasskanals 74 wird im Wesentlichen lediglich Öl von der Hochdruckseite 68 zur Niederdruckseite 66 geleitet. Auf diese Weise werden zwei unterschiedliche Anforderungen erfüllt, nämlich zum einen das Vorhandensein von ausreichend Öl, um eine ausreichende Schmierung sowie Abdichtung zu gewährleisten. Andererseits ist aufgrund des Vorhandenseins von wesentlichen lediglich Kältemittel in der Backpressure-Kammer 62 eine präzise Einstellung des Drucks innerhalb der Backpressure-Kammer 62 und somit des Ausübens eines definierten Drucks auf das erste Verdichterteil 56 parallel zur Rotationsachse 28 ermöglicht.
In 4 ist ein Druck-Massenstrom-Diagramm innerhalb der Backpressure-Kammer dargestellt, wobei auf der X-Achse der Druck 88 auf der Hochdruckseite 68 bzw. der Druck 89 in der Backpressure-Kammer 62 und auf der Y-Achse der korrespondierende Massenstrom aufgetragen ist. Aufgrund des ersten Drosselorgans 80 ergeben sich erste Massenstromverläufe 90 und aufgrund der Druckregelvorrichtung 82 ergeben sich zweite Massenstromverläufe 92. Die ersten Massenstromverläufe 90 sind gegen den Druck 88 auf der Hochdruckseite 68 aufgetragen und abhängig von dem Druck 88 auf der Hochdruckseite, und das erste Drosselorgan 80 ist eine Blende mit 0,2mm Öffnung. Die zweiten Massenstromverläufe 92 sind gegen den Druck 89 innerhalb der Backpressure-Kammer 62 aufgetragen. Es sind drei unterschiedliche zweite Massenstromverläufe 92 aufgezeichnet, wobei jeweils ein Rückschlagventil 84 mit einer Rückschlagventilöffnung von 2 bar verwendet ist. Das zweite Drosselorgan 86 ist variiert und weist eine Öffnung von 0,52mm, 0,35mm bzw. 0,45mm auf. Aufgrund des Rückschlagventils 84 beginnen hierbei die zweiten Massenstromverläufe 92 im Wesentlichen bei 5 bar. Auf der Niederdruckseite 66 herrscht bei Betrieb 3 bar, sodass das Rückschlagventil öffnet, falls in der Backpressure-Kammer 62 ein Druck von 5 bar vorherrscht.
Aufgrund der Massenerhaltung ergibt sich somit der Druck innerhalb der Backpressure-Kammer 62 aus dem Schnittpunkt der ersten und zweiten Massenstromverläufe 90, 92. Mit anderen Worten ergibt der Schnittpunkt der ersten Massenstromverläufe 90 und zweiten Massenstromverläufe 92 den sich in der Backpressure-Kammer 62 einstellenden Druck. Bei Betrieb ist der Druck 88 auf der Hochdruckseite 68 zwischen 5 und 25 bar, und auf der Niederdruckseite ist der Druck ca. 3 bar. In der Backpressure-Kammer 62 stellt sich somit ein Druck zwischen 6,5 und 12 bar ein. Aufgrund der Druckregelvorrichtung 82 wird ein vergleichsweise schneller Druckaufbau innerhalb der Backpressure-Kammer 62 erreicht, welcher die geforderte oder die gewünschte Anlage des ersten Verdichterteils 56 an dem Bodenbereich des zweiten Verdichterteils 60 sicherstellt.
Die Darstellung in 5 zeigt den elektromotorischen Kältemittelverdichter 12 in einem axialen Längsschnitt bei entnommener Elektronik 38 sowie entnommenen Elektromotor 30. Wie in diesem Längsschnitt vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist die Niederdruckseite 66 von dem Elektronikfach 40 mittels der Gehäusewand 44 voneinander fluiddicht, insbesondere auch hinsichtlich eines in den Teilbereichen auftretenden Fluid- beziehungsweise Kältemitteldrucks, getrennt.
Die Gehäusewand 44 weist eine angeformte Lageraufnahme 94 für ein Wälz- oder Kugellager auf. Das der Gehäusewand 44 gegenüberliegend angeordnete A-seitige Lagerschild 58 weist ein entsprechendes Wälz- oder Kugellager auf, wobei die zentrale Welle 36 rotierbar in den beiden gehäusefesten Kugellagern gelagert ist. Das sich in dem Gehäuse 42 befindende Öl wird auch zur Schmierung dieser Lager herangezogen.
In 6 ist die Druckregelvorrichtung 82 in einer Schnittdarstellung längs der Rotationsachse 28 dargestellt und in 7 im Einbauzustand innerhalb einer zylindrischen Öffnung 96 der Welle 36 gezeigt. Die Öffnung 96 der Welle 36 mündet an dem Eingang 84 der Backpressure-Kammer 62. Im Montagezustand ist die Druckregelvorrichtung 82 konzentrisch zur Rotationsachse 28 angeordnet. Die Druckregelvorrichtung 82 weist einen ersten Rohrabschnitt 98 auf, der im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist und über einen ersten Dichtring 100 an der Welle 36 anliegt. Der erste Rohrabschnitt 98 ist in eine erste sacklochartige Aufnahme 102 eines zweiten Rohrabschnitts 104 gesteckt. Hierbei liegt das Freiende des die Aufnahme 102 bildenden Kragens endseitig an einem stufenartigen Vorsprung des ersten Rohrabschnitts 98 an.
Ferner ist der erste Rohrabschnitt 98 an dem gegenüberliegenden Ende in einen Filter 106 gesteckt, mittels dessen Fremdpartikel innerhalb des Kältemittels herausgefiltert werden. Auf eine Öffnung 108 des ersten Rohrabschnitts 98 ist eine Kugel 110 mittels einer Spiralfeder 112 des Rückschlagventils 84 gepresst, wobei die Federhärte der Feder 112 auf 3 bar eingestellt ist. Das verbleibende Ende der Feder 112 liegt in einer topfförmigen Vertiefung 114 eines Bodens 116 der Aufnahme 102 ein und ist dort gehalten. Innerhalb der Feder 112 ist ein Führungsstab 118 angeordnet, der mittels einer weiteren sacklochartigen Öffnung 120 geführt ist, die in der topfförmigen Vertiefung 114 mündet. Der Durchmesser des Führungsstabs 118 ist geringer als der der Feder 112, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Kugel 110 ist. Der Durchmesser der Kugel 110 selbst ist geringer als der Durchmesser der Öffnung 108 des ersten Rohrabschnitts 98.
In der Vertiefung 114 mündet ein erster Kanalabschnitt 122 eines Kanals 124. Der erste Kanalabschnitt 122 führt radial nach außen und mündet an einem äußeren Rand 126 des zweiten Rohrabschnitts 104. Dort geht der erste Kanal 124 in einen dritten Kanalabschnitt 128 über, der mittels der Welle 36 sowie dem äußeren Rand 126 des zweiten Rohrabschnitts 104 gebildet ist. Der dritte Kanalabschnitt 128 mündet in einem ebenfalls in radialer Richtung verlaufenden, jedoch nach innen gerichteten zweiten Kanalabschnitt 130, der in einer zweiten Aufnahme 132 des zweiten Rohrabschnitts 104 mündet. Innerhalb der zweiten Aufnahme 132 ist das zweite Drosselorgan 86 angeordnet. Zwischen dem dritten Kanal 130 und dem zweiten Drosselorgan ist ferner ein zweiter Dichtring 134 positioniert, was die Abdichtung verbessert.
Bei Betrieb tritt das sich in der Backpressure-Kammer 62 befindende Kältemittel durch den Eingang 84 in die Öffnung 96 der Welle 36 ein. Das Kältemittel wird zu dem Filter 106 geleitet und von diesem durch den ersten Rohrabschnitt 98 zu der Öffnung 108. Sofern der Druck innerhalb der Backpressure-Kammer 62 zu gering ist, ist die Öffnung 108 mittels der federbelasteten Kugel 110 verschlossen. Sofern der Druck innerhalb der Backpressure-Kammer 62 größer als der Druck auf der Niederdruckseite 66 zuzüglich 3 bar ist, wird die Kugel 110 entgegen der Kraft der Feder 112 auf die topfförmige Vertiefung 114 zugeführt, wobei ein Abknicken der Feder 112 aufgrund des Führungsstabes 118 vermieden ist. Der Führungsstab 118 wird hierbei zumindest teilweise in die sacklochartige Öffnung 120 bewegt. Das Kältemittel tritt in die Aufnahme 102 sowie die topfförmige Vertiefung 114 ein und wird von dort mittels des ersten Kanalabschnitts 122, des zweiten Kanalabschnitts 128 sowie des dritten Kanalabschnitts 130 des Kanals 114 zu dem zweiten Drosselorgan 86 geleitet. Aus diesem tritt das Kältemittel erneut in die Welle 36 ein und wird von dort der Niederdruckseite 66 zugeführt. Etwaig vorhandenes Öl wird aufgrund des zweiten Drosselorgans 86 zerstäubt und auf das in der Lageraufnahme 94 befindende Lager geleitet, welches somit geschmiert wird.
Beispielsweise ist ebenso denkbar den Verdichter 54 des elektromotorischen Kältemittelverdichters 12 als einen Scroll-Expander auszuführen. Der Ablauf 72 würde hierbei strömungstechnisch als ein Einlass und entsprechend der Zulauf 64 als ein Auslass an den Kältemittelkreislauf angeschlossen. Dadurch ist es möglich den Elektromotor 30 generatorisch mittels einer Expansion des Kältemittels im Scroll-Expander anzutreiben.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel 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 dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Kraftfahrzeug
4: Vorderrad
6: Hinterrad
8: Kältemittelkreislauf
10: Klimaanlage
12: elektromotorischer Kältemittelverdichter
14: Verflüssiger
16: Expansionsventil
18: Bus-System
20: Kraftfahrzeugsteuerung
22: Bordnetz
24: Batterie
26: Sicherungseinrichtung
28: Rotationsachse
30: Elektromotor
32: Rotor
34: Stator
36: Welle
38: Elektronik
40: Elektronikfach
42: Gehäuse
44: Gehäusewand
46: Gehäusedeckel
48: Leiterplatte
50: weitere Leiterplatte
52: Bestromungsleitung
54: Verdichter
56: erstes Verdichterteil
58: A-seitiges Lagerschild
60: zweites Verdichterteil
62: Backpressure-Kammer
64: Zulauf
66: Niederdruckseite
68: Hochdruckseite
70: Ölabscheider
72: Ablauf
74: Bypasskanal
76: drittes Drosselorgan
78: Leitung
80: erstes Drosselorgan
82: Druckregelvorrichtung
84: Rückschlagventil
86: zweites Drosselorgan
88: Druck auf Hochdruckseite
89: Druck in Backpressure-Kammer
90: erster Massenstromverlauf
92: zweiter Massenstromverlauf
94: Lageraufnahme
96: Öffnung der Welle
98: erster Rohrabschnitt
100: erster Dichtring
102: Aufnahme
104: zweiter Rohrabschnitt
106: Filter
108: Öffnung des ersten Rohrabschnitt
110: Kugel
112: Feder
114: topfförmige Vertiefung
116: Boden
118: Führungsstab
120: sacklochartige Öffnung
122: erster Kanalabschnitt
124: Kanal
126: äußerer Rand
128: dritter Kanalabschnitt
130: zweiter Kanalabschnitt
132: zweite Aufnahme
134: zweiter Dichtring

Claims

Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugs (2), mit einer Hochdruckseite (68), mit einer Niederdruckseite (66), und mit einem fluidtechnisch dazwischen angeordneten und mittels eines Elektromotors (30) angetriebenen Verdichter (54), der ein erstes Verdichterteil (56) aufweist, das mittels einer Backpressure-Kammer (62) druckbeaufschlagt ist, wobei die Hochdruckseite (68) mittels eines ersten Drosselorgans (80) fluidtechnisch mit der Backpressure-Kammer (62) verbunden ist, und wobei die Backpressure-Kammer (62) mittels einer Druckregelvorrichtung (82) fluidtechnisch mit der Niederdruckseite (66) verbunden ist, wobei die Druckregelvorrichtung (82) ein Rückschlagventil (84) und diesem fluidtechnisch nachgeschaltet ein zweites Drosselorgan (86) aufweist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelvorrichtung (82) einen Filter (106) aufweist, der dem Rückschlagventil (84) fluidtechnisch vorgeschaltet ist, und/oder dass die Druckregelvorrichtung (82) innerhalb einer Welle (36) des Elektromotors (30) angeordnet ist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (82) eine mittels einer Feder (112) belastete Kugel (110) umfasst, die gegen eine Öffnung (108) eines ersten Rohrabschnitts (98) gepresst ist, der in eine erste Aufnahme (102) eines zweiten Rohrabschnitts (104) gesteckt ist, wobei in der erste Aufnahme (102) die Feder (112) angeordnet ist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aufnahme (102) einen Boden (116) mit einer topfförmigen Vertiefung (114) aufweist, innerhalb derer die Feder (112) endseitig gehalten ist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelvorrichtung (82) einen Kanal (124) aufweist, der fluidtechnisch in der Vertiefung (114) und vor dem zweiten Drosselorgan (86) mündet.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (124) einen ersten Kanalabschnitt (122), der in der Vertiefung (114) mündet, und einen zweiten Kanalabschnitt (130) aufweist, der vor dem Drosselorgan (86) mündet, wobei der ersten Kanalabschnitt (122) und der zweite Kanalabschnitt (130) mittels eines dritten Kanalabschnitts (128) verbunden sind, der sich an einem äußeren Rand (126) des zweiten Rohrabschnitts (104) befindet.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Rohrabschnitts (104) eine zweite Aufnahme (132) aufweist, in der das zweite Drosselorgan (86) angeordnet ist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drosselorgan (80) und/oder das zweite Drosselorgan (86) eine Blende ist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Backpressure-Kammer (62) lediglich zwei Eingänge (84) aufweist, wobei einer der Eingänge (84) dem ersten Drosselorgan (80) und der andere Eingang (84) der Druckregelvorrichtung (82) zugeordnet ist, und/oder dass die Hochdruckseite (68) mittels eines Bypasskanals (74) fluidtechnisch mit der Niederdruckseite (66) verbunden ist.
Druckregelvorrichtung (82) eines elektromotorischen Kältemittelverdichters (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.