DE102017125968A1

DE102017125968A1 - Spiralverdichter mit optimiertem Anpressdruck

Info

Publication number: DE102017125968A1
Application number: DE102017125968.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Wagner
Original assignee: Sanden International Europe Ltd
Current assignee: Sanden International Europe Ltd
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-05-09
Also published as: WO2019092024A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralverdichter zur Kompression eines Fluids mit einer Stationärscheibe (1) mit einer Stationärspirale (2), wobei letztere auf einer Stationärgrundfläche (3) der Stationärscheibe (1) angeordnet ist und einen spiralförmigen Verdichterkanal (6) ausbildet, der sich von einem äußeren Ende (5) der Stationärspirale (2) bis zu einer Auslassöffnung (7) an einem inneren Ende (4) der Stationärspirale (2) erstreckt. Eine Orbitierscheibe (11) mit einer Orbitierspirale (12) ist relativ zu der Stationärscheibe (1) entlang einer Kompressionsrichtung (100) orbitierbar. Zwischen den Scheiben ist mindestens ein Kompressionsraum (20a, 20a', 20a", 20b, 20b') begrenzt, der sich während des Orbitierens von einem Ansaugbereich des Verdichterkanals (6) hin zu einem Auslassbereich des Verdichterkanals (6) verschiebt und dabei sein Volumen verkleinert. Ferner sind eine Auslassdruckkammer (30) in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung (7) und eine Anpressdruckkammer (40) vorgesehen, die im Kompressionsbetrieb mit einem Anpressdruck beaufschlagt ist, wobei die Orbitierscheibe (11) durch den Anpressdruck gegen die Stationärscheibe (1) gedrückt wird. Damit der Spiralverdichter in verschiedenen Betriebszuständen effizient arbeitet und dennoch einfach aufgebaut, einfacher zu produzieren und wirtschaftlich ist, weist er eine Rückführverbindung (33) auf, die eine Fluidverbindung von der Auslassdruckkammer (30) zu der Anpressdruckkammer (40) ausbildet, ferner eine Referenzöffnung (50), die in der Stationärgrundfläche (3) innerhalb des Verdichterkanals (6) angeordnet ist, und schließlich eine Referenzverbindung (51), die eine Fluidverbindung zwischen der Anpressdruckkammer (40) und der Referenzöffnung (50) zur Beeinflussung des Anpressdrucks anhand eines im Kompressionsbetrieb an der Referenzöffnung (50) anliegenden Referenzdrucks ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter zur Kompression eines Fluids.
Spiralverdichter (in englischer Sprache: scroll compressor) weisen typischerweise eine Stationärscheibe mit einer Stationärspirale und eine Orbitierscheibe mit einer Orbitierspirale auf. Indem die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe orbitiert, wird durch den Spiralverdichter ein Fluid - insbesondere ein Gas - verdichtet. Dazu sind die Orbitierspirale und die Stationärspirale derart ineinander verschachtelt angeordnet, dass sie zwischen sich Kompressionsräume für das Gas bilden. Bezogen auf die Stationärspirale bewegt sich jeder Kompressionsraum mit dem darin eingeschlossenen Gas von einem äußeren Bereich der Stationärspirale bis zu deren Zentrum. Dabei wird der für das Gas zur Verfügung stehende Raum zunehmend geringer und das Gas wird verdichtet. Die Orbitierscheibe mit der Orbitierspirale und die Stationärscheibe mit der Stationärspirale bilden gemeinsam eine Verdichtereinheit.
Das Gas gelangt mit einem Ansaugdruck in die Verdichtereinheit und wird mit einem deutlichen höheren Auslassdruck aus ihr herausgeführt.
Spiralverdichter finden beispielsweise Anwendung als Kompressoren in Klimaanlagen, insbesondere in Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge. Des Weiteren werden sie als Wärmepumpen eingesetzt. Sie zeichnen sich gegenüber anderen Kompressorarten durch einen besonders gleichförmigen, vibrationsarmen und ruhigen Lauf aus.
Das in der Verdichtereinheit befindliche Gas, welches innerhalb des Spiralverdichters zunehmend komprimiert wird, drückt die Orbitierscheibe und die Stationärscheibe auseinander. Auf die Orbitierscheibe wirkt deshalb eine Abhebekraft. Die Stärke dieser Abhebekraft hängt insbesondere von dem Ansaugdruck, dem Auslassdruck und der Geometrie der Verdichtereinheit zusammen. Die Stärke der Abhebekraft hängt vom Auslass- und Ansaugdruck ab, wobei die Varianz vom Ansaugdruck überwiegt.
Damit die Orbitierscheibe dennoch fest und dichtend auf die Stationärscheibe gedrückt wird und kein Gas aus der Verdichtereinheit austritt, wird die Orbitierscheibe mit einem auf ihrer der Stationärscheibe gegenüber liegenden Seite mit einem Anpressdruck beaufschlagt. Der Anpressdruck drückt die Orbitierscheibe mit einer Anpresskraft in Richtung der Stationärscheibe. Die Anpresskraft wirkt der Abhebekraft entgegen und muss größer sein als die letztere. Andernfalls würde die Orbitierscheibe durch die Abhebekraft von der Stationärscheibe weggedrückt.
Bei üblichen Spiralverdichtern ist im Kompressionsbetrieb eine Differenz des Anpressdrucks zu dem Ansaugdruck immer gleich, genauer unabhängig von dem Ansaugdruck und dem Auslassdruck. Sie muss so groß sein, dass die auf die Orbitierscheibe wirkende Anpresskraft auch bei maximalem Ansaugdruck und maximalem Auslassdruck ausreicht, um die Orbitierscheibe sicher dichtend an die Stationärscheibe zu drücken.
Eine gängige Methode zum Einstellen des Anpressdrucks ist es, eine Anpressdruckkammer mit Druck zu beaufschlagen und den Druck nach oben durch ein Druckkontrollventil bezüglich des Ansaugdrucks zu begrenzen. Das Druckkontrollventil öffnet eine Fluidverbindung zwischen der Anpressdruckkammer und einem Bereich mit dem Ansaugdruck, wenn der Anpressdruck den Ansaugdruck zuzüglich einer erwünschten Differenz (beispielsweise etwa 0,3 MPa) überschreitet. Die Druckbeaufschlagung der Anpressdruckkammer sorgt gleichzeitig dafür, dass der Anpressdruck nicht unter diesen Sollwert absinkt.
Da die der Anpresskraft entgegen wirkende Abhebekraft mit kleinerem Ansaugdruck nichtlinear nachlässt, wirken in den meisten Betriebszuständen ein höherer Anpressdruck und somit eine höhere Anpresskraft auf die Orbitierscheibe, als notwendig wäre. Das führt zu einer erhöhten Reibung der sich bewegenden Orbitierscheibe. Elektrisch angetriebene Spiralverdichter arbeiten typischerweise in einem Drehzahlbereich von 500 bis 12000 min^-1. Eine hohe Reibung macht sich dabei durch eine verschlechterte Effizienz bemerkbar.
Die Druckschrift DE 10 2013 020 762 A2 offenbart eine Scrollmaschine mit einer mittels einer Steuervorrichtung steuerbaren und regelbaren Hubvorrichtung, durch welche eine Exzenterschreibe der Scrollmaschine mit einer der Anpresskraft entgegengesetzten Anpresskraft beaufschlagbar ist oder mit der die Anpresskraft reduzierbar ist. Die Hubvorrichtung ist als ein 2/3-Wege-Ventil ausgebildet. Durch das Öffnen des Ventils wird der Druck in der Gegendruckkammer an einen Druck in einem Niederdruckraum angeglichen. Durch gezielte Steuerung des Ventils kann die Reibungskraft zwischen der Exzenterscheibe und einer Statorscheibe minimiert werden. Allerdings ist diese Lösung aufwendig und teuer, da das steuer- oder regelbare 2/3-Wege-Ventil und die zusätzliche Steuervorrichtung erforderlich sind. Zudem geht durch den Druckausgleich beim Öffnen des Ventils Energie ungenutzt verloren.
Auch in dem Spiralverdichter der Druckschrift JP 2014-31795 A wird eine Orbitierscheibe durch einen Anpressdruck gegen eine Stationärscheibe gedrückt, wobei der Anpressdruck zwischen einem Ansaugdruck und einem Auslassdruck liegt. Durch eine Differenz zwischen dem Auslassdruck und dem Anpressdruck strömt Öl aus einem Ölreservoir in eine Längsbohrung in einer Antriebswelle. Ein Teil des Öls wird aus der Antriebswelle zu deren Schmierung in ein erstes Lager der Antriebswelle geführt. Dieser Teil des Öls fließt anschließend in eine Anpressdruckkammer. Ein anderer Teil des Öls gelangt aus der Antriebswelle in eine Orbitierlagerkammer. Die Orbitierlagerkammer dient unter anderem dazu, die Orbitierscheibe durch den Auslassdruck gegen die Stationärscheibe zu drücken. Die Anpressdruckkammer dient auch dazu, die Orbitierscheibe mit dem Anpressdruck gegen die Stationärscheibe zu drücken. Das Öl, das durch das erste Lager in die Anpressdruckkammer fließt, steht noch nahezu unter dem Auslassdruck und beaufschlagt folglich die Anpressdruckkammer mit Druck. Es schmiert einen Oldham-Ring und fließt danach durch einen Kompressionskammer-Durchlass in eine Kompressionskammer sowie durch einen Ansaugbereich-Durchlass in einen Ansaugbereich des Spiralverdichters. Dadurch wird der Anpressdruck auf einem mittleren Druck gehalten. Ein Anpressdruckventil in dem Kompressionskammer-Durchlass öffnet sich, wenn der Anpressdruck größer ist als ein Druck in der Kompressionskammer. Auch diese Vorrichtung ist aufwendig und teuer, da der Kompressionskammer-Durchlass mit dem Anpressdruckventil, der Ansaugbereich-Durchlass und neben der Ansaugdruckkammer auch die Orbitierlagerkammer notwendig sind. Zudem wird die tatsächliche Anpresskraft der Orbitierscheibe durch viele verschiedene Faktoren beeinflusst und ist nicht gezielt für verschiedene Betriebszustände einstellbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen einfach aufgebauten, einfacher zu produzierenden und wirtschaftlichen Spiralverdichter zu schaffen, der in verschiedenen Betriebszuständen effizient arbeitet.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Spiralverdichter zur Kompression eines Fluids mit
einer Stationärscheibe mit einer Stationärspirale, wobei die Stationärspirale auf einer Stationärgrundfläche der Stationärscheibe angeordnet ist und einen spiralförmigen Verdichterkanal ausbildet, der sich von einem äußeren Ende der Stationärspirale bis zu einer Auslassöffnung für das komprimierte Fluid an einem inneren Ende der Stationärspirale erstreckt;
einer Orbitierscheibe mit einer Orbitierspirale, wobei die Orbitierspirale auf einer Orbitiergrundfläche der Orbitierscheibe angeordnet ist,
wobei die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe entlang einer Kompressionsrichtung orbitierbar ist,
wobei ferner die Orbitierspirale und die Stationärspirale derart ineinander verschachtelt angeordnet sind, dass von der Stationärgrundfläche und der Stationärspirale sowie der Orbitiergrundfläche und der Orbitierspirale mindestens ein Kompressionsraum begrenzt wird,
wobei sich der Kompressionsraum von einem Ansaugbereich des Verdichterkanals hin zu einem Auslassbereich des Verdichterkanals verschiebt und dabei sein Volumen verkleinert, wenn die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe entlang der Kompressionsrichtung orbitiert;
einer Auslassdruckkammer, die in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung steht;
einer Anpressdruckkammer, die im Kompressionsbetrieb mit einem Anpressdruck beaufschlagt ist, wobei die Orbitierscheibe durch den Anpressdruck gegen die Stationärscheibe gedrückt wird;
einer Rückführverbindung, die eine Fluidverbindung von der Auslassdruckkammer zu der Anpressdruckkammer ausbildet;
einer Referenzöffnung, die in der Stationärgrundfläche innerhalb des Verdichterkanals angeordnet ist; und
einer Referenzverbindung, die eine Fluidverbindung zwischen der Anpressdruckkammer und der Referenzöffnung zur Beeinflussung des Anpressdrucks anhand eines im Kompressionsbetrieb an der Referenzöffnung anliegenden Referenzdrucks ausbildet.
Der Ansaugdruck und der Auslassdruck sind im Kompressionsbetrieb in der Regel durch ein an den Spiralverdichter angeschlossenes System bestimmt, welches von dem im Spiralverdichter komprimierten Fluid durchströmt wird. Bei einem solchen System kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher einer Klimaanlage handeln. Aus der Auslassdruckkammer kann das komprimierte Fluid aus dem Spiralverdichter abgeführt werden, beispielsweise durch die Auslassverbindung und den Auslassanschluss.
An dem Auslassanschluss liegt der Auslassdruck an, an dem Ansauganschluss der Ansaugdruck. Bevorzugt sind die Auslassdruckkammer, die Anpressdruckkammer, die Orbitierscheibe, die Stationärscheibe, die Rückführverbindung und die Referenzverbindung in der Ansaugdruckkammer angeordnet. Dadurch sind alle diese Komponenten sicher durch die Ansaugdruckkammer umschlossen. Der Ansauganschluss und der Auslassanschluss können in diesem Fall an der Ansaugdruckkammer angeordnet sein, wobei der Auslassanschluss druckdicht in Fluidverbindung mit der Auslassdruckkammer steht.
Ein maximaler Auslassdruck des Spiralverdichters ergibt sich aus der Geometrie der Verdichtereinheit (die ineinander verschachtelt angeordnete Stationär- und Orbitierscheibe) und dem jeweiligen Ansaugdruck. Je höher der Ansaugdruck ist, desto höher ist der maximale Auslassdruck. Bei gegebenem Ansaugdruck ergibt sich der maximale Auslassdruck aus der in der Verdichtereinheit geometriebedingt erreichbaren Kompression des Fluids anhand der bekannten Fluidgleichungen, beispielsweise der Gleichung für ideale Gase oder der Van-der-Waals-Gleichung.
Der (tatsächliche) Auslassdruck liegt in der Regel niedriger als der maximale Auslassdruck. Sobald der - beispielsweise von dem angeschlossenen System vorgegebene - Auslassdruck erreicht ist, komprimiert der Spiralverdichter das Fluid nicht weiter, sondern schiebt es aus der Verdichtereinheit durch die Auslassöffnung in die Auslassdruckkammer. An der Auslassöffnung kann eine Rückschlageinrichtung (wie beispielsweise eine Rückschlagklappe oder ein Rückschlagventil) angeordnet sein. Diese verhindert, dass Fluid aus der Auslassdruckkammer durch die Auslassöffnung zurückströmt, falls der Auslassdruck in der Auslassdruckkammer höher ist als der Druck an der Auslassöffnung in der Verdichtereinheit.
Mit der vorliegenden Erfindung wird der Anpressdruck direkt durch den Referenzdruck beeinflusst. Der Referenzdruck hängt bei gegebener Position der Referenzöffnung in dem Verdichterkanal wiederum stark von dem Ansaugdruck und unter Umständen auch von dem Auslassdruck ab. Insofern passt sich eine Differenz zwischen dem Anpressdruck und dem Ansaugdruck von selbst einem Betriebszustand des Spiralverdichters an. Eine aufwendige, externe, anfällige und teure Regelung des Anpressdrucks ist dafür nicht erforderlich. Insbesondere wird kein aktiv variabel einstellbares Druckkontrollventil für die Einstellung und Regelung des Anpressdrucks benötigt. Durch das Zusammenwirken der Rückführverbindung und der Referenzverbindung stellt sich ein Druckgleichgewicht in der Anpressdruckkammer ein. Wenn der Anpressdruck größer als der Referenzdruck ist, strömt Fluid und/oder Öl aus der Anpressdruckkammer durch die Referenzverbindung und die Referenzöffnung in die Verdichtereinheit, genauer in den Kompressionsraum, wenn dieser gerade in Fluidverbindung mit der Referenzöffnung steht. Dadurch sinkt der Anpressdruck. Andererseits wird über die Rückführverbindung Fluid und/oder Öl aus der Auslasskammer bzw. dem Ölfilter in die Anpressdruckkammer geführt. Diese Rückführung lässt den Anpressdruck ansteigen, sofern nicht der durch die Referenzverbindung ausgelöste Druckverlust stärker oder gleich ist. Vereinfacht gesagt dient die Rückführverbindung der Nachlieferung von Fluid und/oder Öl in die Anpressdruckkammer, während die Referenzverbindung mit der Referenzöffnung die Einstellung bzw. Regulierung des Anpressdrucks bewirken. Das in dem über die Referenzverbindung in die Verdichtereinheit strömendem Öl und/oder Fluid muss weiter komprimiert werden, jedoch lediglich von dem Niveau des Anpressdrucks bis zum Erreichen des Hochdrucks. Das Öl trägt außerdem gegebenenfalls zu deren Schmierung bei. Dies verbessert die Haltbarkeit des Spiralverdichters.
Der Referenzdruck hängt davon ab, wie stark das Fluid in der Verdichtereinheit komprimiert ist, wenn der Kompressionsraum die Referenzöffnung erreicht und überstreicht. Durch eine Änderung der Position der Referenzöffnung in dem Verdichterkanal ändern sich im Allgemeinen der im Kompressionsbetrieb an der Referenzöffnung anliegende Referenzdruck und folglich auch der sich einstellende Anpressdruck. Mit anderen Worten kann durch die Positionierung der Referenzöffnung der sich einstellende Anpressdruck festgelegt werden.
Durch die gezielte Gestaltung und Abstimmung der Rückführverbindung und der Referenzverbindung sowie der Referenzöffnung, insbesondere die genaue Positionierung der Referenzöffnung in dem Verdichterkanal, wird die selbsttätige Einstellung verschiedener, jeweils gewünschter Anpressdrücke für verschiedene Betriebszustände des Spiralverdichters erreicht. Entsprechend wird die Anpresskraft, mit der die Orbitierscheibe durch den Anpressdruck auf die Stationärscheibe gedrückt wird, für verschiedene Betriebszustände an die in dem jeweiligen Betriebszustand auf die Orbitierscheibe wirkende Abhebekraft abgestimmt. Insbesondere wirkt eine vergleichsweise geringe Anpresskraft, wenn der Anpressdruck und/oder der Auslassdruck gering sind. Das verbessert die Effizienz des Spiralverdichters, wenn der Spiralverdichter in einem solchen Betriebszustand läuft. Außerdem wird das An- und Hochdrehen des Spiralverdichters durch die von dem Betriebszustand abhängige Anpresskraft wesentlich erleichtert.
Bevorzugt ist im Kompressionsbetrieb die Anpresskraft, die auf die Orbitierscheibe wirkt, in jedem Betriebszustand mindestens 10 Prozent größer als die Abhebekraft, die auf die Orbitierscheibe wirkt, besonders bevorzugt mindestens 15 Prozent. Auf diese Weise wird die Orbitierscheibe sicher an die Stationärscheibe gedrückt und es kann kein Fluid aus der Verdichtereinheit entweichen.
Alternativ und/oder zusätzlich ist im Kompressionsbetrieb die Anpresskraft, die auf die Orbitierscheibe wirkt, in jedem Betriebszustand bevorzugt maximal 30 Prozent größer als die Abhebekraft, die auf die Orbitierscheibe wirkt, besonders bevorzugt maximal 20 Prozent größer. Damit wird eine unnötig hohe Reibung durch eine zu hohe Anpresskraft vermieden. Dies ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb des Spiralverdichters in allen Betriebszuständen.
Die Anpresskraft, mit der die Orbitierscheibe durch den Anpressdruck auf die Stationärscheibe gedrückt wird, hängt von einer effektiven Fläche der Orbitierscheibe ab, auf welche der Anpressdruck in Richtung zu der Orbitierscheibe wirken kann. Andererseits hängt die Abhebekraft von dem Ansaugdruck, dem Auslassdruck und der Geometrie der Verdichtereinheit zusammen. Deshalb kann die Gestaltung und Abstimmung der Rückführverbindung und der Referenzverbindung sowie der Referenzöffnung, insbesondere deren genaue Positionierung in dem Verdichterkanal, die für ein gewünschtes Verhältnis von Anpresskraft und Abhebekraft erforderlich ist, für verschiedene Ausführungsformen des Spiralverdichters voneinander abweichen.
Wenn die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe orbitiert, bedeutet dies mit anderen Worten, dass die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch verschoben wird. Bevorzugt orbitiert die Orbitierscheibe auf einer kreisförmigen Bahn um eine Stationärmittelachse der Stationärscheibe, wobei die Stationärmittelachse senkrecht auf der Stationärgrundfläche steht und sich durch ein Zentrum der Stationärspirale erstreckt.
Die Stationärspirale kann aus einer Wand gebildet sein, die sich parallel zur Stationärmittelachse von der Stationärgrundfläche aus von der Stationärgrundfläche weg erstreckt. Bevorzugt ist eine entlang der Stationärmittelachse von der Stationärgrundfläche abgewandte Endfläche der Stationärspirale flach und parallel zu der Stationärgrundfläche ausgebildet.
Die Stationärspirale und die Orbitierspirale weisen jeweils einen Spiralarm auf.
Der Ansaugbereich des Verdichterkanals setzt sich aus allen Bereichen des Verdichterkanals zusammen, die zumindest zeitweise in unmittelbarer Fluidverbindung mit einem Fluideinlass stehen, wenn die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe entlang der Kompressionsrichtung orbitiert. Der Fluideinlass - beispielsweise in Form des Ansauganschlusses - dient zur Zufuhr des zu komprimierenden Fluids zu dem Spiralverdichter.
Im Kompressionsbetrieb wird das Fluid in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiert, in Richtung der Auslassöffnung bewegt und schließlich in die Auslassöffnung gedrückt.
Der Auslassbereich des Verdichterkanals umfasst alle Bereiche des Verdichterkanals, die zumindest zeitweise in unmittelbarer Fluidverbindung mit der Auslassöffnung für das Fluid stehen, wenn die Orbitierscheibe relativ zu der Stationärscheibe entlang der Kompressionsrichtung orbitiert.
Der Mittelbereich des Verdichterkanals umfasst alle Bereiche des Verdichterkanals, die weder mit dem Einlassbereich noch mit dem Auslassbereich in unmittelbarer Fluidverbindung stehen können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Referenzöffnung in dem Mittelbereich und/oder in dem Auslassbereich des Verdichterkanals angeordnet. Somit ist die Referenzöffnung nicht in dem Einlassbereich des Verdichterkanals angeordnet. Im Betrieb des Spiralverdichters kommt es dadurch nicht zu einer unmittelbaren Fluidverbindung zwischen dem Fluideinlass und der Referenzöffnung und es kann kein Fluid aus der Referenzöffnung direkt in den Ansaugbereich und/oder den Fluideinlass strömen. Solch ein unerwünschter Druckverlust würde zu einer Verschlechterung der Effizienz des Spiralverdichters führen.
Im Sinne dieser Anmeldung bezeichnet eine innerste Windung oder erste Windung einer Spirale einen Bereich dieser Spirale, welcher sich von ihrem inneren Ende bis zu dem Punkt erstreckt, an dem sie ihr Zentrum einmal umschlungen hat. Dem inneren Ende der Stationärspirale ist ein Positionswinkel von 0° zugeordnet. Der Positionswinkel nimmt bis zum äußeren Ende der Stationärspirale entlang der Erstreckung der Stationärspirale kontinuierlich zu. Ein Spiralwinkel der Stationärspirale ist durch ihr äußeres Ende gegeben. Der Spiralwinkel entspricht also dem größten Positionswinkel der Stationärspirale.
Dies wird beispielhaft für eine Stationärspirale mit zwei Windungen erläutert: Die erste Windung der Stationärspirale beginnt mit dem inneren Ende der Stationärspirale bei einem Positionswinkel von 0° und endet bei einem Positionswinkel von 360°. Die zweite und äußerste Windung beginnt bei einem Positionswinkel von 360° und endet bei Spiralwinkel von 720° mit dem äußeren Ende der Stationärspirale.
Entsprechend werden Positionswinkel in dem Verdichterkanal definiert. Ein äußeres Ende des spiralförmigen Verdichterkanals ist durch eine Einlassöffnung des Verdichterkanals festgelegt, welche zwischen dem äußeren Ende der Stationärspirale und einem Anfang der äußersten Windung der Stationärspirale gebildet ist.
Im Sinne dieser Anmeldung ist eine Außenseite eines Bereichs einer Spirale die dem Zentrum der Spirale in einer radialen Richtung gesehen abgewandte Seite dieses Bereichs der Spirale. Entsprechend ist eine Innenseite des Bereichs der Spirale die dem Zentrum der Spirale in der radialen Richtung zugewandte Seite dieses Bereichs der Spirale.
An dieser Stelle sei betont, dass die Definitionen bezüglich des Verdichterkanals unabhängig von der Definition des Kompressionsraums sind. Insbesondere braucht sich der Kompressionsraum nicht zu jeder Zeit vollständig in dem Verdichterkanal zu befinden. Beispielsweise kann der Kompressionsraum dadurch gebildet werden, dass ein äußeres Ende der Orbitierspirale mit einer Außenseite der äußersten Windung der Stationärspirale in Kontakt tritt. Durch diese Abdichtung wird der Kompressionsraum geschlossen und abgedichtet. Wenn der Kompressionsraum dagegen dadurch geschlossen wird, dass eine Außenseite der Orbitierspirale mit dem äußeren Ende der Stationärspirale in Kontakt tritt, dann liegt der Kompressionsraum schon zu diesem Zeitpunkt vollständig innerhalb des Verdichterkanals.
Mit der Rückführverbindung wird der hohe Auslassdruck genutzt, um die Anpressdruckkammer mit Druck zu beaufschlagen. Der Anpressdruck drückt die Orbitierscheibe gegen die Stationärscheibe, so dass diese beiden Scheiben sicher abdichtend aneinander liegen und insbesondere der Kompressionsraum sicher abgedichtet ist. Eine Rückseite der Orbitierscheibe, die der Orbitiergrundfläche abgewandt ist, kann einen Teil einer Begrenzung der Anpressdruckkammer bilden. Bevorzugt führt die Rückführverbindung von der Anpressdruckkammer (bzw. einem Bauteil in der Anpressdruckkammer) direkt zu der Anpressdruckkammer. Das sorgt für eine einfache Bauweise und dafür, dass der Spiralverdichter einfacher zu produzieren ist.
Der Referenzdruck variiert während des Betriebs des Spiralverdichters, auch bei einem kontinuierlichen Kompressionsbetrieb. Sobald ein neuer Kompressionsraum die Referenzöffnung erreicht, fällt der Referenzdruck auf den aktuellen Druck in diesem Kompressionsraum. Während sich der Kompressionsraum weiter in Richtung der Auslassöffnung bewegt und verkleinert, steigen der Druck des Fluids in dem Kompressionsraum und damit der Referenzdruck kontinuierlich an. In dem Moment, wenn der Kompressionsraum gerade noch die Referenzöffnung überdeckt, ist der Referenzdruck maximal. Danach wird die Referenzöffnung von der Orbitierspirale überstrichen und abgedeckt, also verschlossen. Danach erreicht ein neuer Kompressionsraum die Referenzöffnung, und Referenzdruck sinkt ab. Abhängig von der Lage der Referenzöffnung kann diese während eines Umlaufs der Orbitierscheibe einmal oder zweimal von der Orbitierspirale überstrichen und abgedeckt werden.
Durch die Volumina der Referenzverbindung und der Anpressdruckkammer wird der Effekt dieser Fluktuationen jedoch teilweise reduziert und gedämpft. Aufgrund der typischerweise hohen Drehzahl, mit der die Orbitierscheibe orbitiert, sind die Fluktuationen außerdem sehr schnell und es kann im Wesentlichen ein mittlerer Referenzdruck betrachtet werden. Der mittlere Referenzdruck ergibt sich aus dem Integral des Referenzdrucks über die Umlaufzeit, welche die Orbitierspirale für einen vollen Umlauf benötigt, geteilt durch diese Umlaufzeit. Entsprechend sind andere mittlere Drücke als zeitliche Mittelwerte über einen Umlauf definiert, insbesondere eine mittlere Druckdifferenz zwischen dem Anpressdruck und dem Ansaugdruck.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Spiralverdichter zwei Kompressionsräume auf, wobei die Referenzöffnung derart in dem Verdichterkanal angeordnet ist, dass die Referenzöffnung im Kompressionsbetrieb während eines Umlaufs der Orbitierscheibe für einen ersten Teil der für den Umlauf benötigten Zeit mit einem Kompressionsraum letzter Stufe und für einen weiteren Teil der für den Umlauf benötigten Zeit mit einem Kompressionsraum vorletzter Stufe unmittelbar in Fluidverbindung steht. Dabei müssen der erste Teil und der weitere Teil zusammen nicht die gesamte für den Umlauf benötigte Zeit ergeben. Vielmehr kann es noch andere Teile geben.
Durch diese gezielte Positionierung der Referenzöffnung in dem Verdichterkanal ist sichergestellt, dass auch ein Hochdruckbereich des Spiralverdichters einen Einfluss auf den Anpressdruck hat und der Anpressdruck im Kompressionsbetrieb in jedem Betriebszustand stets hoch genug eingestellt bleibt, so dass die Anpresskraft auf die Orbitierscheibe ausreichend größer ist als die Abhebekraft. Die Orbitierscheibe wird dadurch im Kompressionsbetrieb in jedem Betriebszustand dichtend auf die Stationärscheibe gedrückt.
Der Kompressionsraum letzter Stufe zeichnet sich dadurch aus, dass das in ihm befindliche Fluid im Kompressionsbetrieb noch innerhalb dieses Umlaufs der Orbitierscheibe zumindest teilweise in die Auslassöffnung geführt wird. Der Kompressionsraum vorletzter Stufe zeichnet sich dadurch aus, dass das in ihm befindliche Fluid im Kompressionsbetrieb innerhalb des nächsten Umlaufs der Orbitierscheibe zumindest teilweise in die Auslassöffnung geführt werden wird. Es kann mehrere Kompressionsräume letzter Stufe und mehrere Kompressionsräume vorletzter Stufe geben. Der Kompressionsraum vorletzter Stufe bzw. die Kompressionsräume vorletzter Stufe folgt bzw. folgen in dem Verdichterkanal entgegen der Kompressionsrichtung auf den Kompressionsraum letzter Stufe bzw. die Kompressionsräume letzter Stufe.
Innerhalb eines Umlaufs orbitiert die Orbitierscheibe genau einmal vollständig (das heißt um 360°) relativ zu der Stationärscheibe. Ein Ende des Umlaufs ist definiert durch den Betriebspunkt, in welchem das Fluid (insbesondere Kältemittel) zuletzt in die Auslassöffnung ausgeschoben wird. Damit ist gerade ein Verdichtungszyklus abgeschlossen. Dieser Betriebspunkt definiert auch ein Ende der letzten Stufe. Ein Beginn dieser letzten Stufe ist einen vollen Umlauf der Orbitierscheibe um die Stationärscheibe vorher, das heißt 360° vorher, definiert.
Dies wird beispielhaft für einen Spiralverdichter erläutert, der das Fluid im Kompressionsbetrieb innerhalb von zwei Umläufen (um 720°) komprimiert und in die Auslassöffnung führt: Die erste und vorletzte Stufe beginnt, wenn eine Menge des zu komprimierenden Fluid gerade in dem Kompressionsraum eingeschlossen wurde. Sie endet nach einem ersten vollständigen Umlauf (um 360°) der Orbitierscheibe um die Stationärscheibe. Gleichzeitig beginnt für das momentan in diesem Kompressionsraum geführte Fluid die zweite und letzte Stufe. Die letzte Stufe endet mit dem zweiten vollständigen Umlauf (um 720°) der Orbitierscheibe, wenn das Fluid vollständig in die Auslassöffnung geführt worden ist.
Bevorzugt weist die Stationärspirale einen Spiralwinkel von mehr als 360° auf, wobei die Referenzöffnung in dem Verdichterkanal in einem Positionswinkel von dem inneren Ende der Stationärspirale angeordnet ist, der mindestens
315° / (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,1
und maximal
435° (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,2
beträgt, bevorzugt mindestens
345° / (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,1
und maximal
405° * (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,2.
Diese Positionierung der Referenzöffnung hat sich als besonders vorteilhaft zur Erreichung der genannten Vorteile der Erfindung gezeigt. Es ist einerseits ein ausreichend großer Einfluss des Hochdruckbereichs nahe der Auslassöffnung sichergestellt, so dass der Anpressdruck nicht zu niedrig werden kann. Andererseits ist der Referenzdruck in diesem Bereich noch niedrig genug, dass keine unnötig große Anpresskraft auf die Orbitierscheibe wirkt. Dies kommt der Effizient des Spiralverdichters zugute.
Grundsätzlich gilt: Je kleiner der Positionswinkel ist, in dem die Referenzöffnung angeordnet ist, desto höher ist der mittlere Referenzdruck im Kompressionsbetrieb. Denn je kleiner der Positionswinkel der Referenzöffnung ist, desto näher liegt die Referenzöffnung an der Auslassöffnung. Entsprechend ist das Fluid in dem Kompressionsraum stärker komprimiert, wenn der Kompressionsraum die Referenzöffnung erreicht.
Daneben hängt der mittlere Referenzdruck im Allgemeinen auch von anderen Faktoren ab, insbesondere von dem Ansaugdruck und dem Auslassdruck. Außerdem kann der mittlere Referenzdruck bei gleichem Positionswinkel der Referenzöffnung auch davon abhängen, ob die Referenzöffnung in radialer Richtung weiter innen oder weiter außen in dem Verdichterkanal angeordnet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Stationärspirale mindestens 1,25 Windungen auf. Dies entspricht einem Spiralwinkel der Stationärspirale von mindestens 450°. Dadurch ist eine ausreichende maximale Kompression des Spiralverdichters für übliche Anwendungen gewährleistet.
Alternativ und/oder zusätzlich weist die Stationärspirale bevorzugt maximal 2,5 Windungen auf. Dies entspricht einem Spiralwinkel der Stationärspirale von maximal 900°. So bleibt der Spiralverdichter kompakt, leicht und günstig zu produzieren.
Besonders bevorzugt weist die Stationärspirale zwei Windungen auf, wobei die Referenzöffnung in dem Verdichterkanal in einem Positionswinkel von dem inneren Ende der Stationärspirale angeordnet ist, der mindestens 315° und maximal 435° beträgt, überaus bevorzugt mindestens 345° und maximal 405°. Diese Anordnung hat sich als besonders praktikabel erwiesen.
In einer Weiterbildung der Erfindung nimmt im Kompressionsbetrieb eine mittlere Druckdifferenz zwischen dem Anpressdruck und einem Ansaugdruck mit steigendem Ansaugdruck zu, wenn der Auslassdruck zumindest im Wesentlichen konstant bleibt.
Wenn der Anpressdruck und/oder der Auslassdruck ansteigen, dann wächst auch die Abhebekraft auf die Orbitierscheibe. Um einerseits bei geringem Ansaugdruck eine möglichst geringe Anpresskraft und andererseits bei hohem Ansaugdruck eine ausreichend hohe Anpresskraft sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn der Anpressdruck mit steigendem Ansaugdruck zunimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Spiralverdichter ein in der Rückführverbindung vorgesehenes Stromventil auf. Das Stromventil beeinflusst die Wirkung der Rückführverbindung. Dadurch erleichtert es die Abstimmung und Einstellung des Anpressdrucks.
Besonders bevorzugt ist das Stromventil als Drosselventil ausgeführt. In dieser Anmeldung ist unter einem Drosselventil ein Element zu verstehen, welches eine Druckdifferenz zwischen Ventileingang und -ausgang erzeugt (und nicht den Massestrom drosselt). So wird die Abstimmung des Anpressdrucks durch die Rückführverbindung und die Referenzverbindung wesentlich erleichtert. Das steigert die Effizienz des Spiralverdichters gegenüber Ausführungen ohne Drosselventil.
Bevorzugt ist in der Referenzverbindung zwischen der Referenzöffnung und der Anpressdruckkammer ein Dämpfungselement vorgesehen. Das Dämpfungselement dämpft die Fluktuationen des Referenzdrucks zusätzlich. Der Anpressdruck wird stabiler gehalten und kann genauer eingestellt werden. Das verbessert die Effizienz des Spiralverdichters noch weiter. Da das Dämpfungselement zumindest einen wesentlichen Teil der Dämpfung des Referenzdrucks übernimmt, können andere Teile der Referenzverbindung mit einem kleinen Querschnitt ausgeführt sein. Dadurch werden unnötig große Masseströme von Fluid durch die Referenzverbindung vermieden. Die Referenzverbindung kann beispielsweise eine Querschnittsfläche aufweisen, die in einem der Bereiche liegt, der weiter unten für die Öffnungsfläche der Referenzöffnung vorgeschlagen sind.
Besonders bevorzugt ist das Dämpfungselement als eine Dämpfungskammer ausgeführt. Eine solche Dämpfungskammer lässt sich besonders einfach, schnell und kostengünstig herstellen. Durch das zusätzliche Volumen der Dämpfungskammer zwischen der Referenzöffnung und der Anpressdruckkammer wird die Amplitude des Referenzdrucks wie zuvor beschrieben gedämpft.
Überaus bevorzugt hat die Dämpfungskammer ein Volumen von 5 cm³ bis 6 cm³. Diese Größe hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Einerseits ist die Dämpfungskammer dann groß genug, um die Schwankungen des Referenzdrucks ausreichend stark zu dämpfen, um die zuvor genannten Vorteile zu erreichen. Andererseits ist sie noch so kompakt, dass sie wenig Platz erfordert und mit wenig Aufwand in der Referenzverbindung vorgesehen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Referenzöffnung in der Stationärgrundfläche eine Öffnungsfläche zwischen 0,5 mm² und 8,05 mm² auf, vorzugsweise zwischen 1,13 mm² und 3,15 mm². Die Referenzöffnung muss einerseits groß genug sein, um die erwünschte Beeinflussung des Anpressdrucks durch den Referenzdruck durch einen ausreichend schnellen und starken Fluidaustausch zwischen der Anpressdruckkammer und dem die Referenzöffnung überstreifendem Kompressionsraum zu ermöglichen. Andererseits darf die Referenzöffnung maximal so groß sein, dass sie von der Orbitierspirale vollständig verschlossen wird, wenn die Orbitierspirale die Referenzöffnung überstreicht. Ansonsten könnten zwei aufeinander folgende Kompressionsräume über die Referenzöffnung miteinander in Fluidverbindung geraten, was zu einem unerwünschten Druckausgleich zwischen diesen zwei Kompressionsräumen führen könnte. Auch abgesehen davon sollten die Referenzöffnung und die Referenzverbindung einen möglichst kleinen Querschnitt aufweisen.
Dadurch wird vermieden, dass im Kompressionsbetrieb durch die Fluktuation des Referenzdrucks unnötig viel Fluid in der Referenzverbindung hin- und hergeschoben bzw. komprimiert und wieder entspannt wird. Ein kleiner Querschnitt der Referenzöffnung und/oder der Referenzverbindung sorgt also für eine bessere Effizienz des Spiralverdichters.
In einer überaus vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Referenzöffnung in der Stationärgrundfläche als rundes Loch mit einem Durchmesser zwischen 0,4 mm und 1,6 mm, vorzugsweise zwischen 0,6 mm und 1,0 mm, ausgebildet. Ein solches Loch lässt sich mit wenig Aufwand, schnell und gut reproduzierbar durch eine Bohrung herstellen. Die oben genannten Querschnitte für die Referenzöffnung und die entsprechenden Vorteile werden damit besonders einfach erreicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Spiralverdichter einen Ölabscheider in der Auslassdruckkammer und ein Ölreservoir auf, wobei die Rückführverbindung von dem Ölreservoir zu der Anpressdruckkammer führt.
Das Öl dient zur Schmierung und als Schutz für die Orbitierscheibe und die Stationärscheibe, die sich im Kompressionsbetrieb relativ zueinander bewegen. Ein Teil des Öls gelangt jedoch durch die Auslassöffnung in die Auslassdruckkammer. Mit dem Ölabscheider sorgt dafür, dass das Öl abgeschieden wird und sich in dem Ölreservoir sammelt. Somit gelangt kein Öl aus dem Spiralverdichter heraus in ein an ihn angeschlossenes System, beispielsweise einen Wärmetauscher. Das Öl würde den Wärmetauscher von innen benetzen und den Wärmeübergang verschlechtern.
Über den Ölabscheider kann dann zumindest ein Teil des abgeschiedenen Öls über die Rückführverbindung zurückgeführt werden. Das Öl oder ein Teil des Öls kann weiter durch die Referenzverbindung und die Referenzöffnung in die Verdichtereinheit eingeführt werden. Damit wird es wieder zur Schmierung und zum Schutz der Verdichtereinheit genutzt. Die Ölrückführung verbessert so die Effizienz und Zuverlässigkeit des Spiralverdichters.
Bevorzugt ist die Referenzverbindung zwischen der Anpressdruckkammer und der Referenzöffnung stets in beide Richtungen durchlässig. Dadurch stehen die Referenzöffnung und die Anpressdruckkammer stets in ungehinderter Fluidverbindung über die Referenzverbindung.
Der Anpressdruck wird durch die Referenzöffnung und der Referenzverbindung abhängig vom Betriebszustand eingestellt, ohne dass weitere mechanische Bauteile wie Klappen oder Ventile zur Regelung eines Fluidstroms in der Referenzverbindung nötig sind. Das vorgeschlagene System ist deshalb besonders kostengünstig und zuverlässig.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Referenzverbindung kein Ventil vorgesehen ist.
Mit der vorliegenden Erfindung ist durch die ausgewählte Position der Referenzöffnung in dem Verdichterkanal kein Ventil in der Referenzverbindung notwendig. So kann die Referenzverbindung besonders einfach und kostengünstig produziert werden. Der Verzicht auf ein Ventil sorgt für einen leichteren Spiralverdichter. Außerdem ist ein solcher Spiralverdichter zuverlässiger, da das Ventil eine mögliche Fehlerquelle darstellen würde.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in der Referenzverbindung ein Druckkontrollventil vorgesehen ist, welches die Fluidverbindung zwischen der Anpressdruckkammer und der Referenzöffnung verschließt, wenn der Referenzdruck um mindestens 0,2 bar größer ist als der Anpressdruck, bevorzugt um mindestens 0,8 bar.
Aufgrund des Druckkontrollventils finden kein Druckausgleich und Fluidfluss durch die Referenzverbindung statt, wenn der Referenzdruck die entsprechende Größe erreicht hat oder überscheitet. Durch das Druckkontrollventil wird vermieden, dass der Anpressdruck zu groß wird, wenn der Referenzdruck sehr hoch ist. Ein zu großer Anpressdruck ist nachteilig, da die Reibung zunimmt. Das Druckkontrollventil verhindert insbesondere, dass Druckspitzen des Referenzdrucks zu Schäden an einer axialen Dichtfläche der Orbitierscheibe führen. Außerdem eröffnet es zusätzliche Möglichkeiten für die Regulierung des Anpressdrucks. Die Referenzöffnung kann in dem Verdichterkanal näher in Richtung der Auslassöffnung positioniert werden, das heißt in einem geringeren Positionswinkel angeordnet werden, ohne dass der Anpressdruck unerwünscht groß wird.
Falls in der Referenzverbindung sowohl das Druckkontrollventil als auch das Dämpfungselement vorgesehen sind, ist das Dämpfungselement besonders bevorzugt zwischen der Referenzöffnung und dem Druckkontrollventil angeordnet. Dadurch wird das Druckkontrollventil weniger starken Druckfluktuationen ausgesetzt. Das ermöglicht die Nutzung eines feiner ansprechenden Druckkontrollventils und einer genaueren Einstellung des Druckunterschieds zwischen dem Anpressdruck und dem mittleren Referenzdruck. Außerdem wird die Anzahl der Öffnungs- und Schließvorgänge des Druckkontrollventils während des Betriebs Dämpfung des Referenzdrucks, insbesondere von Extrema des Referenzdrucks, vermindert. Dadurch ist die Lebenserwartung des Druckkontrollventils höher und die Zuverlässigkeit des Spiralverdichters steigt.
Bevorzugt weist der Spiralverdichter einen Elektromotor zum Antrieb des Orbitierscheibe an. Die Integration des Elektromotors in den Spiralverdichter ermöglicht einen besonders präzisen und effizienten Betrieb des Spiralverdichters. Der Betrieb des Elektromotors kann genau auf den spezifischen Spiralverdichter abgestimmt werden. Insbesondere ist der Antrieb des Spiralverdichters dann nicht abhängig von einem Betriebszustand anderer, externer Aggregate. Überaus bevorzugt ist der Elektromotor innerhalb der Ansaugkammer angeordnet.
Alternativ und/oder zusätzlich kann der Spiralverdichter auch eine Kraftübertragungsvorrichtung zum Antrieb der Orbitierscheibe durch ein externes Antriebsaggregat aufweisen. Bei dem externen Antriebsaggregat kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor handeln. Die Kraftübertragungsvorrichtung kann eine Kupplung (wie eine Magnetkupplung) aufweisen.
Optional kann der Spiralverdichter beispielsweise auch in einem Wärmepumpen-System eingesetzt werden. Dies ist insbesondere von Interesse für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen und/oder von Vollhybrid-Fahrzeugen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine klimatechnische Anlage mit einem erfindungsgemäßen Spiralverdichter. Insbesondere kann es sich um eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug handeln.
Die beschriebenen Ausführungsmöglichkeit und Vorteile für den Spiralverdichter gelten entsprechend für das System.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die klimatechnische Anlage ein Kältemittel auf, das von dem Spiralverdichter im Kompressionsbetrieb verdichtet wird, wobei das Kältemittel mit einem Ansaugdruck p_s in den Spiralverdichter angesaugt wird und den Spiralverdichter mit einem Auslassdruck p_d verlässt, und wobei die Referenzöffnung derart in dem Verdichterkanal angeordnet ist, dass sich im Kompressionsbetrieb des Spiralverdichters die folgenden Verhältnisse einstellen:

• ein erster Quotient Q₁, definiert durch einen Anpressdruck p_b,max, wenn der Ansaugdruck p_s,max einem Verdampfungsdruck p_v,max des Kältemittels bei einer Temperatur von 15,7 °C entspricht, geteilt durch einen Anpressdruck p_b,min, wenn ein Ansaugdruck p_s,min einem Verdampfungsdruck p_v,min des Kältemittels bei einer Temperatur von -26,4 °C entspricht, liegt in einem Bereich von 2,4 bis 4 (das heißt: 2,4 ≤ Q1 = p_b,max(p_s,max = p_v,max(15,7 °C)) / P_b,min(p_s,min = p_v,min(-26,4 °C)) ≤ 4);
• ein zweiter Quotient Q₂, definiert durch den Anpressdruck p_b,max, wenn der Auslassdruck p_d,max einem Kondensationsdruck p_c,max des Kältemittels bei einer Temperatur 72,6 °C entspricht, geteilt durch einen Anpressdruck p_b,min, wenn ein Auslassdruck p_d,min einem Kondensationsdruck p_c,min des Kältemittels bei einer Temperatur von 34,4 °C entspricht, liegt in einem Bereich von 1,1 bis 1,4 (das heißt: 1,1 ≤ Q₂ = p_b,min(p_d,max = p_c,max(72,6 °C)) / p_b,min(p_d,min = p_c,min(34,4 °C)) ≤ 1,4):
• ein Produkt aus dem ersten Quotienten Q₁ mit dem zweiten Quotienten Q₂ liegt für einen Operationsbereich des Spiralverdichters in einem Bereich von 2,6 bis 5,6 (das heißt: 2,6 ≤ Q₁ · Q₂ ≤ 5,6, wenn p_v,min(-26,4 °C) ≤ p_s ≤ p_v,max(15,7 °C) und andererseits p_c,min(34,4 °C) ≤ p_d ≤ p_c,max(72,6 °C)).

Damit ist eine ausreichende Anpassung des Anpressdrucks in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand der klimatechnischen Anlage sichergestellt. Der Ansaugdruck p_s und der Auslassdruck p_d werden im Wesentlichen von einem temperaturabhängigen Verdampfungsdruck p_v und einem temperaturabhängigen Kondensationsdruck p_c des Kältemittels bestimmt. Die Temperaturen des Kältemittels an einem Ansauganschluss des Spiralverdichters und an einem Auslassanschluss des Spiralverdichters hängen wiederum von einer Temperatur des zu kühlenden Bereichs und einer Temperatur einer Umgebung, an welche Wärme abgegeben werden soll, ab.
Für eine besonders bevorzugte klimatechnische Anlage mit dem Kühlmittel R134a gelten beispielsweise in Näherung die folgenden Werte: p_v,min(-26,4 °C) = 0,1 MPa, p_v,max(15,7 °C) = 0,5 MPa, p_c,min(34,4 °C) = 1,0 MPa und p_c,max(72,6 °C) = 2,5 MPa.
Im Allgemeinen können auch andere fluorbasierte Kältemittel eingesetzt werden, beispielsweise R1234yF. Für fluorbasierte Kältemittel liegen die relevanten Druckwerte typischerweise in einem Bereich von 0,1 bis 3 MPa. Auch ein Einsatz andere Kältemittel ist möglich, beispielsweise von R744 (CO₂, Druckwerte typischerweise in einem Bereich von 2,0 bis 13,0 MPa) oder von Butan.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
Es zeigen schematisch:

1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters in einem Längsschnitt;
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters, welche gegenüber der ersten Ausführungsform aus 1 eine Dämpfungskammer in einer Referenzverbindung aufweist, in einem Längsschnitt;
3A einen Querschnitt durch eine Verdichtereinheit eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters mit einer Stationärspirale mit 2,25 Windungen, nachdem eine Orbitierscheibe einen Umlauf um die Stationärscheibe zu einem Achtel vollendet hat;
3B den Querschnitt aus 3B, nachdem die Orbitierscheibe den Umlauf um die Stationärscheibe zu einem Viertel vollendet hat;
4A eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Stationärscheibe eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters in Blickrichtung auf die Stationärspirale und eine Stationärgrundfläche der Stationärspirale, wobei die Stationärspirale zwei Windungen aufweist;
4B die Aufsicht aus 4A mit hervorgehobener Darstellung der in 4A gezeigten Winkel.

Bei einer in 1 dargestellten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters zur Kompression eines Kältemittels sind eine Stationärscheibe 1, eine Orbitierscheibe 11, eine Auslassdruckkammer 30, eine Anpressdruckkammer 40 und ein Elektromotor 70 innerhalb einer Ansaugdruckkammer 60 angeordnet. Der Elektromotor 70 weist einen Rotor 71 und einen Stator 72 auf und ist an einen Inverter 80 angeschlossen, der außerhalb der Ansaugdruckkammer 60 vorgesehen ist.
An der Ansaugdruckkammer 60 sind ein Ansauganschluss 61 und ein Auslassanschluss 62 vorgesehen, über die der Spiralverdichter mit einem externen Klimasystem, beispielsweise einem Wärmetauscher einer Fahrzeugklimaanlage, verbunden werden kann. Der Auslassanschluss 62 steht über eine Auslassverbindung 63 druckdicht in Fluidverbindung mit der Auslassdruckkammer 30.
Die Stationärscheibe 1 und die Orbitierscheibe 11 sind derart ineinander verschachtelt angeordnet, dass sie eine Verdichtereinheit bilden. Dabei ist die Stationärscheibe 1 der Auslassdruckkammer 30 zugewandt, während die Orbitierscheibe 11 der Ansaugdruckkammer 40 zugewandt ist. Die Verdichtereinheit steht über eine Auslassöffnung 7 mit der Auslassdruckkammer 30 in Fluidverbindung. Eine Rückschlagklappe 8 verhindert, dass Kältemittel aus der Auslassdruckkammer 30 zurück in die Verdichtereinheit strömt.
In der Auslassdruckkammer sind ein Ölabscheider 31 und ein Ölreservoir 32 vorgesehen. Eine Rückführverbindung 33 führt von dem Ölreservoir 32 direkt zu der Anpressdruckkammer 40. Durch die Rückführverbindung 33 wird eine Fluidverbindung von der Auslassdruckkammer 30 zu der Anpressdruckkammer 40 hergestellt. Ein Drosselventil 34 in der Rückführverbindung 33 sorgt für eine Druckdifferenz zwischen einem Auslassdruck in der Auslasskammer 30 und einem Druck, mit dem die Anpressdruckkammer 40 beaufschlagt wird.
Die Anpressdruckkammer 40 steht zugleich über eine Referenzverbindung 51 mit einer Referenzöffnung in einer Stationärgrundfläche (in 1 nicht gezeigt) der Stationärscheibe 1 in Verbindung.
Im Kompressionsbetrieb herrschen in der Auslassdruckkammer 30 ein Auslassdruck, der an dem Auslassanschluss 62 anliegt, und in der Ansaugdruckkammer 60 ein Ansaugdruck, der an dem Ansauganschluss 61 anliegt und geringer ist als der Auslassdruck.
Durch den Ansauganschluss 61 gelangt das Kältemittel unter dem Ansaugdruck in die Ansaugdruckkammer 60 und wird von der Verdichtereinheit angesaugt. In Kompressionsräumen (in 1 nicht gezeigt), die in der Verdichtereinheit zwischen der Stationärscheibe 1 und der Orbitierscheibe 11 gebildet sind, wird das Kältemittel verdichtet, bis es denn Auslassdruck erreicht hat. Anschließend wird es durch die Rückschlagklappe 8 und die Auslassöffnung 7 in die Auslassdruckkammer 30 befördert.
In der Auslassdruckkammer 30 scheidet der Ölabscheider 31 in dem Kältemittel mitgeführtes Öl ab. Das abgeschiedene Öl wird in dem Ölreservoir 32 gesammelt. Das von dem Öl befreite, komprimierte und unter dem Auslassdruck stehende Kältemittel wird aus der Auslassdruckkammer 30 durch die Auslassverbindung 63 und den Auslassanschluss 62 aus dem Spiralverdichter herausgeführt.
Das in den Kompressionsräumen eingeschlossene und zunehmend verdichtete Kältemittel bewirkt eine Abhebekraft auf die Orbitierscheibe 11. Ohne eine Gegenkraft würde diese Abhebekraft die Orbitierscheibe 11 von der Stationärscheibe 1 wegdrücken. Die beiden Scheiben würden dann nicht mehr gegeneinander abdichten und die Kompressionsräume wären nicht mehr abgedichtet. Das Kältemittel könnte aus der Verdichtereinheit in die Ansaugdruckkammer 60 entweichen. Um das zu verhindern, herrscht in der Anpressdruckkammer 40 im Kompressionsbetrieb ein Anpressdruck, der die Orbitierscheibe 11 mit einer Anpresskraft gegen die Stationärscheibe 1 drückt. So wird die Orbitierscheibe 11 sicher dichtend an die Stationärscheibe 1 gepresst.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters. Die zweite Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform mit dem einzigen Unterschied, dass zusätzlich zur ersten Ausführungsform eine Dämpfungskammer 52 in der Referenzverbindung 51 vorgesehen ist. Ein Volumen der Dämpfungskammer 52 beträgt 5 cm³ bis 6 cm³. Dieses zusätzliche Volumen in der Referenzverbindung 51 dämpft Fluktuationen des Referenzdrucks an einer Referenzöffnung (in 2 nicht gezeigt). Entsprechend wird der Anpressdruck stabiler gehalten und die Orbitierscheibe 11 wird gleichmäßiger gegen die Stationärscheibe 1 gedrückt.
In 3A ist ein Querschnitt durch eine Verdichtereinheit eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters, beispielsweise des Spiralverdichters aus 1 oder 2, dargestellt. Entsprechend werden für gleiche Merkmale jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. Eine Schnittfläche für 3A liegt zwischen der Orbitierscheibe 11 und der Stationärscheibe 1 in 1 bzw. 2 und erstreckt sich parallel zu einer Stationärgrundfläche 3 der Stationärscheibe 1. Auf der Stationärgrundfläche 3 ist eine Stationärspirale 2 mit 2,25 Windungen angeordnet. Entsprechend ist ein äußeres Ende 5 der Stationärspirale 2 in einem Spiralwinkel von 810° von einem inneren Ende 4 der Stationärspirale 2 angeordnet.
Von der Orbitierscheibe 11 ist aufgrund des Querschnitts in 3A nur eine Orbitierspirale 12 zu sehen, die auf einer Orbitiergrundfläche (nicht gezeigt) der Orbitierscheibe 11 angeordnet ist. Die Orbitierspirale 12 weist (wie die Stationärspirale 2) 2,25 Windungen auf.
Die Stationärscheibe 1 und die Orbitierscheibe 11 sind ineinander verschachtelt angeordnet. Im Kompressionsbetrieb wird die Orbitierscheibe 11 durch den Anpressdruck in der Anpressdruckkammer 40 (siehe 1 und 2) auf die Stationärscheibe 1 gedrückt. Dadurch liegen einerseits ein von der Orbitiergrundfläche abgewandtes Ende der Orbitierspirale 12 dichtend an der Stationärgrundfläche 3 an und andererseits ein von der Stationärgrundfläche 3 abgewandtes Ende der Stationärspirale 2 dichtend an der Orbitiergrundfläche an. Die Stationärgrundfläche 3, die Stationärspirale 2, die Orbitiergrundfläche und die Orbitierspirale 12 begrenzen dadurch mehrere Kompressionsräume. In der in 3A dargestellten Position der Orbitierscheibe 11 bzw. der Orbitierspirale 12 sind auf diese Weise in einem Verdichterkanal 6, der zwischen den Windungen der Stationärspirale 2 ausgebildet ist, gerade ein Kompressionsraum letzter Stufe 20a, 20a', 20a" und zwei Kompressionsräume vorletzter Stufe 20b, 20b' begrenzt, wobei der Kompressionsraum letzter Stufe 20a, 20a', 20a" aus einem ersten Unterbereich 20a, einem zweiten Unterbereich 20a' und einem dritten Unterbereich 20a" gebildet ist, die in 3A über schmale Spalte (nicht sichtbar) zwischen der Stationärspirale 2 und der Orbitierspirale 12 miteinander in Fluidverbindung stehen.
Auf der rechten Seite der 3A ist ein Zeigerdiagramm dargestellt, dass einen Umlaufwinkel 103 der Orbitierscheibe 11 (und somit der Orbitierspirale 12) und ihre Umlaufrichtung bzw. Kompressionsrichtung 100 darstellt. Die Orbitierscheibe 11 beginnt einen neuen Umlauf, wenn ihre Umlaufposition 103 im Zeigerdiagramm gerade bei einem Umlaufwinkel 101 von 0° liegt. Dann berührt die Orbitierspirale 12 gerade das äußere Ende 5 der Stationärspirale 2 und schließt dabei den Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b ab. Gleichzeitig berührt ein äußeres Ende 15 der Orbitierspirale 12 eine Außenseite einer äußersten Windung der Stationärspirale 12 und schließt dabei den Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b' ab. In 3A hat sich die Orbitierscheibe ausgehend von dem Umlaufwinkel 101 von 0° entlang der Umlaufrichtung 100 bereits zu der Umlaufposition 103 von 45° weiterbewegt.
In dem Verdichterkanal 6 ist eine Referenzöffnung 50 in der Stationärgrundfläche 3 in einem Positionswinkel von 360° zu dem inneren Ende 4 der Stationärspirale 2 angeordnet. Sie wird in 3A gerade von dem Unterbereich 20a" des Kompressionsraums letzter Stufe 20a, 20a', 20a" überstrichen und steht in Fluidverbindung mit dem gesamten Kompressionsraum letzter Stufe 20a, 20a', 20a".
Ausgehend von 3A orbitiert die Orbitierscheibe weiter entlang der Umlaufrichtung 100 um ein Zentrum der Stationärspirale 2.
In 3B ist hat die Orbitierscheibe 11 den begonnen Umlauf zu einem Viertel beendet. Ihre Umlaufposition 103 ist nun bei einem Umlaufwinkel 102 von 90°.
Die beiden Kompressionsräume vorletzter Stufe 20b, 20b' aus 3A sind entlang der Kompressionsrichtung 100 in dem Verdichterkanal 6 weiter in Richtung des Zentrums der Stationärspirale 2 propagiert. Dabei haben sie ihr Volumen jeweils verkleinert und das in ihnen eingeschlossene Kältemittel wurde entsprechend komprimiert. Auch das Volumen des Kompressionsraums letzter Stufe 20a, 20a', 20a" ist kleiner geworden. Der Unterbereich 20a des Kompressionsraums letzter Stufe 20a, 20a', 20a" aus 3A ist weitestgehend kollabiert und die Auslassöffnung 7 in der Stationärgrundfläche 3 ist gerade von einem inneren Ende 14 der Orbitierspirale 12 verdeckt. Die Referenzöffnung 50 wird in 3B immer noch von dem Unterbereich 20a' überstrichen.
Bei einem Umlaufwinkel zwischen 90° und 180° vereinigen sich die Unterbereiche 20a' und 20a".
Wenn die Orbitierscheibe 11 ausgehend von 3B um weitere 270° entlang der Kompressionsrichtung 100 relativ zu der Stationärscheibe 1 orbitiert, erreicht sie eine Umlaufposition von 0° und ihr aktueller Umlauf endet. Das Kältemittel, dass zu Beginn des Umlaufs in 3A in dem Kompressionsraum letzter Stufe 20a, 20a', 20a" befunden hatte, ist zu einem großen Anteil in die Auslassöffnung 7 geführt worden. Die vereinigten Unterbereiche 20a' und 20a" bilden den neuen Unterbereich 20a' für den folgenden, neuen Umlauf. Der Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b aus 3A und 3B wird zu dem neuen Unterbereich 20a', der Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b' wird dagegen zu dem neuen Unterberiech 20a" und die Orbitierscheibe 11 beginnt den neuen Umlauf.
Das Kältemittel, dass sich in 3A in den Kompressionsräumen letzter Stufe 20b, 20b' befunden hatte, tritt bis zum Beginn des neuen Umlaufs (noch) nicht in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 7, sondern erst im Verlauf dieses neuen Umlaufs.
Bei dem Umlaufwinkel 101 von 0° zu Beginn des neuen Umlauf stehen die neuen Unterbereiche 20a, 20a', 20a" noch nicht in Fluidverbindung. Sobald die Orbitierscheibe 11 weiter orbitiert, treten die neuen Unterbereiche 20a, 20a', 20a" jedoch durch schmale Spalte in Fluidverbindung miteinander und bilden gemeinsam den neuen Kompressionsraum letzter Stufe 20a, 20a', 20a" für den neuen Umlauf. Wenn in dem neuen Umlauf die Umlaufposition 103 von 45° erreicht ist, liegt wieder der in 3A gezeigte Zustand vor.
Die Referenzöffnung 50 wird während eines Umlaufs der Orbitierscheibe 11 zu einem ersten Teil der für den Umlauf benötigten Zeit (im Folgenden auch „Umlaufzeit“) von der Orbitierspirale 12 überstrichen und verschlossen. Dann steht sie in einem zweiten Teil der Umlaufzeit mit dem Unterbereich 20a" und folglich mit dem gesamten Kompressionsraum erster Stufe 20a, 20a', 20" in Fluidverbindung (siehe 3A und 3B). Anschließend wird sie während eines dritten Teils der Umlaufzeit wieder von der Orbitierspirale 12 überstrichen und verschlossen. Danach steht sie in einem vierten Teil der Umlaufzeit mit dem Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b' in Fluidverbindung. Schließlich wird sie während eines fünften Teils der Umlaufzeit bis zum Ende dieses Umlaufs wieder von der Orbitierspirale 12 überdeckt und verschlossen.
Damit liegt an der Referenzöffnung 50 während des zweiten Teils ein ansteigender Hochdruck an. Das liegt daran, dass das Kältemittel in dem Kompressionsraum letzter Stufe 20a, 20a', 20a" schon zu einem gewissen Grad komprimiert ist, wenn dieser in Fluidverbindung mit der Referenzöffnung 50 tritt. Zu Beginn des vierten Teils, wenn der Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b' in Fluidverbindung mit der Referenzöffnung 50 tritt, sinkt der Referenzdruck bis auf einen Minimalwert ab. Anschließend steigt er während des vierten Teils wieder kontinuierlich an. Während des ersten, dritten und fünften Teils bleibt der Referenzdruck an der Referenzöffnung 50 jeweils etwa unverändert, da die Referenzöffnung 50 verschlossen ist. Ein mittlerer Referenzdruck ergibt sich als das Intergral des Referenzdrucks über die Umlaufzeit geteilt durch die Umlaufzeit.
Wenn die Referenzöffnung 50 abweichend von der Darstellung in 3A und 3B an einer Innenseite oder an einer Außenseite des Verdichterkanals 6 angeordnet wird, wird die Referenzöffnung 50 während der Umlaufzeit nur einmal von der Orbitierspirale 12 abgedeckt und verschlossen. Wenn sie beispielsweise bei dem gleichen Positionswinkel wie in 3A und 3B, jedoch an der Innenseite in dem Verdichterkanal 6 liegt, wird sie nur einmal von der Orbitierspirale 12 verdeckt und tritt nicht in Fluidverbindung mit dem Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b, sondern mit dem anderen Kompressionsraum vorletzter Stufe 20b'.
Anhand von 4A und 4B wird nun erläutert, in welchem Positionswinkel die Referenzöffnung 50 angeordnet sein soll. 4A zeigt eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Stationärscheibe 1 eines erfindungsgemäßen Spiralverdichters, beispielsweise für die in 2 und 2A dargestellten Ausführungsformen, mit einer Stationärspirale 2 mit zwei Windungen. Für gleiche Merkmale werden jeweils die gleichen Bezugszeichen beibehalten, auch wenn sich die Stationärscheibe 1 aus 4A und 4B von der Stationärscheibe 1 aus 3A und 3B im Detail unterscheidet.
Ein Positionswinkel 58 von 0° wird durch das innere Ende 4 der Stationärspirale 2 festgelegt. Dabei ist zu beachten, dass ein Abschlusswulst 4A' des inneren Endes 4 für die Festlegung des Positionswinkels von 0° unbeachtlich ist.
Da die Stationärspirale 2 in 4A zwei Windungen aufweist, ist ihr äußeres Ende 5 in einem Positionswinkel bzw. einem Spiralwinkel 9 von 720° angeordnet. Entsprechend liegt eine Einlassöffnung eines Verdichterkanals 6, welcher sich zwischen dem äußeren Ende 5 und einem Beginn einer äußeren Windung der Stationärspirale 2 bei einem Positionswinkel von 360° erstreckt, bei dem Spiralwinkel 720°.
Abhängig von dem Spiralwinkel 9 soll die Referenzöffnung 50 in dem schraffierten Bereich 55 angeordnet sein. Der Bereich 55 erstreckt sich in dem Verdichterkanal 6 zwischen einem minimalen Positionswinkel 56 für die Referenzöffnung 50 bis zu einem maximalen Positionswinkel 57 für die Referenzöffnung 50. Ausgehend von einem beliebigen Spiralwinkel größer oder gleich 450° berechnen sich der minimale Positionswinkel 56 aus der Formel 315° / (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,1 und der maximale Positionswinkel 57 aus der Formel 435° / (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,2. Im vorliegenden betragen der minimale Positionswinkel 56 also 315° und der maximale Positionswinkel 57 folglich 435°. Die Referenzöffnung 50 ist in 4A und 4B beispielhaft in einem Positionswinkel 54 von 375° in dem Bereich 55 vorgesehen.
In 4B sind der minimale Positionswinkel 56, der Positionswinkel 54 der Referenzöffnung 50, der maximale Positionswinkel 57 und der Spiralwinkel 9 noch einmal besonders hervorgehoben.
Wenn der Anpressdruck größer ist als der Referenzdruck, strömt Öl und/oder Kältemittel aus der Anpressdruckkammer 40 durch die Referenzverbindung 51 und die Referenzöffnung 50 in die Verdichtereinheit. Dadurch wird der Anpressdruck 40 vermindert. Dabei wird dieses Öl und/oder Kühlmittel, das bereits unter dem Anpressdruck steht, wieder in den Kompressionsvorgang eingeführt und nicht einfach in ein niedrigeres Druckniveau außerhalb der Verdichtereinheit ausgeblasen und entspannt. So wird die darin gespeicherte Kompressionsarbeit zur Erhöhung des Drucks in dem Kompressionsraum 20a, 20a', 20b, 20b', der gerade mit der Referenzöffnung 50 in Fluidverbindung steht, genutzt und nicht verschwendet.
Die folgende Tabelle 1 stellt beispielhaft für einen klimatechnische Anlage mit einem erfindungsgemäßen Spiralverdichter nach 2 und einem Kältemittel R134a dar, wie sich der Anpressdruck p_b (in MPa) in Abhängigkeit von dem Ansaugdruck p_s und dem Auslassdruck p_d einstellt.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Anpressdruck p_b und dem Ansaugdruck p_s mit steigendem Ansaugdruck p_s zunimmt, sofern der Auslassdruck p_d nicht sinkt. Außerdem steigt diese Druckdifferenz tendenziell mit steigendem Auslassdruck p_d an, sofern p_s nicht sinkt.
Eine Gesamtkraft F, mit der die Orbitierscheibe 11 gegen die Stationärscheibe 1 gedrückt wird, ergibt sich aus der durch den Anpressdruck p_d hervorgerufenen Anpresskraft abzüglich der ihr entgegen gerichteten Abhebekraft. Die folgende Tabelle 2 stellt beispielhaft die Gesamtkraft F (in N) für die klimatechnische Anlage dar, auf welche sich Tabelle 1 bezieht.
Die Reibung zwischen der Orbitierscheibe 11 und der Stationärscheibe 1 im Kompressionsbetrieb hängt (zumindest in Näherung) linear von der Gesamtkraft F ab. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Gesamtkraft F mit der vorliegenden Erfindung bei gegebenem Auslassdruck p_d tendenziell mit steigendem Ansaugdruck p_s zunimmt. Insbesondere herrscht bei geringen Ansaugdruck p_s generell nur eine kleine Gesamtkraft F. Entsprechend ist die Reibung zwischen der Orbitierscheibe 11 und der Stationärscheibe 1 bei geringem Ansaugdruck p_s gering und die Orbitierscheibe 11 kann besonders kraftsparend bewegt werden. Das erleichtert auch das Anschalten, An- und Hochdrehen der Orbitierscheibe 11. Zugleich gewährleistet die Erfindung eine geringe Reibung bei niedrigem Ansaugdruck p_s und niedrigem Auslassdruck p_d.
Die Gesamtkraft F bleibt in einem gesamten Operationsbereich deutlich größer als 0. Die Abhebekraft und somit die zu ihrer Überwindung erforderliche Anpresskraft steigen mit wachsendem Ansaugdruck p_s stark an, wenn der Auslassdruck p_d nicht sinkt, und werden mit steigendem Auslassdruck p_d größer, wenn der Ansaugdruck p_s nicht sinkt. Um bei gleichbleibenden prozentualen Schwankungen der Abhebekraft und/oder der Anpresskraft ein sicheres Abdichten der Verdichtereinheit zu gewährleisten, ist deshalb mit der vorliegenden Erfindung die Gesamtkraft F bei hohem Auslassdruck p_d und/oder bei hohem Ansaugdruck p_s total größer als in dem Fall, wenn sowohl der Auslassdruck p_d als auch der Ansaugdruck p_s niedrig sind.
Zusammengefasst leistet die vorliegende Erfindung eine einfache und kostengünstige, aber wirkungsvolle Einstellung des Anpressdrucks in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Spiralverdichters. Sie gewährleistet einen zuverlässigen, sicheren und effizienten Betrieb des Spiralverdichters in verschiedenen Betriebszuständen.
Bezugszeichenliste

1: Stationärscheibe
2: Stationärspirale
3: Stationärgrundfläche
4: inneres Ende
4a: Abschlusswulst
5: äußeres Ende
6: Verdichterkanal
7: Auslassöffnung
8: Rückschlagklappe
9: Spiralwinkel
11: Orbitierscheibe
12: Orbitierspirale
15: äußeres Ende
20a: Unterbereich
20a': Unterbereich
20a": Unterbereich
20b, 20b': Kompressionsraum vorletzter Stufe
30: Auslassdruckkammer
31: Ölabscheider
32: Ölreservoir
33: Rückführverbindung
34: Drosselventil
40: Anpressdruckkammer
50: Referenzöffnung
51: Referenzverbindung
52: Dämpfungskammer
54: Positionswinkel
55: Bereich
56: Minimaler Positionswinkel
57: Maximaler Positionswinkel
58: Positionswinkel
60: Ansaugdruckkammer
61: Ansauganschluss
62: Auslassanschluss
63: Auslassverbindung
70: Elektromotor
71: Rotor
72: Stator
80: Inverter
100: Umlaufrichtung
101: Umlaufwinkel
102: Umlaufwinkel
103: Umlaufposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013020762 A2 [0010]
JP 2014031795 A [0011]

Claims

Spiralverdichter zur Kompression eines Fluids mit einer Stationärscheibe (1) mit einer Stationärspirale (2), wobei die Stationärspirale (2) auf einer Stationärgrundfläche (3) der Stationärscheibe (1) angeordnet ist und einen spiralförmigen Verdichterkanal (6) ausbildet, der sich von einem äußeren Ende (5) der Stationärspirale (2) bis zu einer Auslassöffnung (7) für das komprimierte Fluid an einem inneren Ende (4) der Stationärspirale (2) erstreckt; einer Orbitierscheibe (11) mit einer Orbitierspirale (12), wobei die Orbitierspirale (12) auf einer Orbitiergrundfläche der Orbitierscheibe (11) angeordnet ist, wobei die Orbitierscheibe (11) relativ zu der Stationärscheibe (1) entlang einer Kompressionsrichtung (100) orbitierbar ist, wobei ferner die Orbitierspirale (12) und die Stationärspirale (2) derart ineinander verschachtelt angeordnet sind, dass von der Stationärgrundfläche (3) und der Stationärspirale (2) sowie der Orbitiergrundfläche (12) und der Orbitierspirale mindestens ein Kompressionsraum (20a, 20a', 20a", 20b, 20b') begrenzt wird, wobei sich der Kompressionsraum (20a, 20a', 20a", 20b, 20b') von einem Ansaugbereich des Verdichterkanals (6) hin zu einem Auslassbereich des Verdichterkanals (6) verschiebt und dabei sein Volumen verkleinert, wenn die Orbitierscheibe (11) relativ zu der Stationärscheibe (1) entlang der Kompressionsrichtung (100) orbitiert; einer Auslassdruckkammer (30), die in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung (7) steht; einer Anpressdruckkammer (40), die im Kompressionsbetrieb mit einem Anpressdruck beaufschlagt ist, wobei die Orbitierscheibe (11) durch den Anpressdruck gegen die Stationärscheibe (1) gedrückt wird; einer Rückführverbindung (33), die eine Fluidverbindung von der Auslassdruckkammer (30) zu der Anpressdruckkammer (40) ausbildet; einer Referenzöffnung (50), die in der Stationärgrundfläche (3) innerhalb des Verdichterkanals (6) angeordnet ist; und einer Referenzverbindung (51), die eine Fluidverbindung zwischen der Anpressdruckkammer (40) und der Referenzöffnung (50) zur Beeinflussung des Anpressdrucks anhand eines im Kompressionsbetrieb an der Referenzöffnung (50) anliegenden Referenzdrucks ausbildet.
Spiralverdichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kompressionsräume (20a, 20a', 20a", 20b, 20b'), wobei die Referenzöffnung (50) derart in dem Verdichterkanal (6) angeordnet ist, dass die Referenzöffnung (50) im Kompressionsbetrieb während eines Umlaufs der Orbitierscheibe (11) für einen ersten Teil der für den Umlauf benötigten Zeit mit einem Kompressionsraum letzter Stufe (20a, 20a', 20a") und für einen weiteren Teil der für den Umlauf benötigten Zeit mit einem Kompressionsraum vorletzter Stufe (20b, 20b') unmittelbar in Fluidverbindung steht.
Spiralverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stationärspirale (2) einen Spiralwinkel (9) von mehr als 450° aufweist, wobei die Referenzöffnung (50) in dem Verdichterkanal (6) in einem Positionswinkel (54) von dem inneren Ende (4) der Stationärspirale (2) angeordnet ist, der mindestens 315° / (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,1 und maximal 435° * (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,2 beträgt, bevorzugt mindestens 345° / (0,5 · Spiralwinkel / 360°)^0,1 und maximal 405° * (0,5· Spiralwinkel /360°)^0,2.
Spiralverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kompressionsbetrieb eine mittlere Druckdifferenz zwischen dem Anpressdruck und einem Ansaugdruck mit steigendem Ansaugdruck zunimmt, wenn der Auslassdruck zumindest im Wesentlichen konstant bleibt.
Spiralverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in der Rückführverbindung (51) vorgesehenes Stromventil, bevorzugt ein Drosselventil (34).
Spiralverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzverbindung (51) zwischen der Referenzöffnung (50) und der Anpressdruckkammer (40) ein Dämpfungselement (52) vorgesehen ist.
Spiralverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzöffnung (50) in der Stationärgrundfläche (3) eine Öffnungsfläche zwischen 0,5 mm² und 8,05 mm² aufweist, vorzugsweise zwischen 1,13 mm² und 3,15 mm².
Spiralverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Ölabscheider (31) in der Auslassdruckkammer (30) und ein Ölreservoir (32), wobei die Rückführverbindung (33) von dem Ölreservoir (32) zu der Anpressdruckkammer (40) führt.
Spiralverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzverbindung (51) kein Ventil vorgesehen ist.
Spiralverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzverbindung (51) ein Druckkontrollventil vorgesehen ist, welches die Fluidverbindung zwischen der Anpressdruckkammer (40) und der Referenzöffnung (50) verschließt, wenn der Referenzdruck um mindestens 0,2 bar größer ist als der Anpressdruck, bevorzugt um mindestens 0,8 bar.