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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scrollverdichter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 8.
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In Personenkraftwägen (Pkws) werden neben riemengetriebenen Kältemittelverdichtern zunehmend elektrisch angetriebene Kältemittelverdichter eingesetzt. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen und rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist der elektrisch angetriebene Kältemittelverdichter zum Standard geworden. Durch den Einsatz des eigenen elektrischen Motors wird das Nebenaggregat unabhängig von der Drehzahl des Fahrzeugtriebstrangs und erlaubt somit vielfältige Regelmöglichkeiten.
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Häufig sind die elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter, die in Pkws eingesetzt werden, als sogenannte Scrollverdichter ausgeführt. Ein Scrollverdichter weist zwei ineinander geführte Spiralenelemente mit Spiralkonturen auf. Eine dieser Spiralenelemente, das Statorspiralenelement, steht gehäusefest still, während das andere Spiralenelement, das Rotorspiralenelement, durch einen rotierenden Elektromotor und einen speziellen Zwischentrieb relativ zu dem Statorspiralenelement in eine orbitierende Bewegung versetzt wird. Die zwischen den Spiralkonturen eingeschlossenen sichelförmigen Volumina verkleinern sich durch den Bewegungsablauf zur Mitte des Verdichters hin immer weiter. Dadurch kann ein gasförmiges Kältemittel, das vom Rand zwischen die Spiralkonturen eingebracht wird, verdichtet werden. Das so komprimierte Kältemittel wird dann als sogenanntes Heißgas über ein Rückschlagventil ausgeschoben.
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Die radiale Abdichtung zwischen den Spiralkonturen erfolgt über flüssiges Öl, das im Betrieb über den Massenstrom des gasförmigen Kältemittels mitgerissen wird. Hingeben erfolgt die axiale Abdichtung über Dichtungselemente an den Kanten der Spiralkontur des Rotorspiralenelements sowie dessen axiale Anpresskraft.
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Der ideale Wert der axialen Anpresskraft hängt vom Betriebsbereich des Scrollverdichters ab. Reicht die Abdichtung nicht aus, kann innere Leckage auftreten, die den Wirkungsgrad reduziert und zum Kontaktverlust an den axialen Dichtlinien führen kann. Andererseits führt eine unnötig hohe Anpresskraft zu erhöhter Reibung und Verschleiß. Ein unkontrollierter Wechsel der Anpresskraft, der zu einem Abheben und Aufsetzen des Rotorspiralenelements vom Statorspiralenelement führen kann, birgt zusätzlich das Risiko von Verschleiß und direkter Schädigung.
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Ziel der Erfindung ist es daher, eine optimierte Einstellung der axialen Anpresskraft des Rotorspiralenelements mit hoher Flexibilität je nach Anforderungen des Betriebszustands des Scrollverdichters zu ermöglichen. Damit kann eine Kontrolle von Parametern wie Betriebssicherheit, Verschleiß, Wirkungsgrad und Geräuschbildung verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Scrollverdichter gemäß Anspruch 1 sowie einen Scrollverdichter gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch einen Scrollverdichter, der Folgendes aufweist: eine Verdichtereinheit mit einem feststehenden Statorspiralenelement und einem rotierbaren, relativ zum Statorspiralenelement axial beweglich gelagerten Rotorspiralenelement, wobei die Verdichtereinheit dazu ausgebildet ist, ein zu verdichtendes Fluid aus einem Ansaugbereich anzusaugen, zu verdichten und in einen Hochdruckbereich zu fördern; eine Gegendruckkammer, die an einer dem Statorspiralenelement abgewandten Seite des Rotorspiralenelements angeordnet ist und mit einem Gegendruck beaufschlagbar ist, um eine Anpresskraft in axialer Richtung auf das Rotorspiralenelement auszuüben und das Rotorspiralenelement gegen das Statorspiralenelement zu pressen, wobei zwischen der Gegendruckkammer und dem Ansaugbereich eine Fluidverbindung besteht, und wobei zwischen der Gegendruckkammer und dem Hochdruckbereich eine Fluidverbindung besteht; einen Saugdruckkanal, der in der Fluidverbindung zwischen der Gegendruckkammer und dem Ansaugbereich angeordnet ist; einen Hochdruckkanal, der in der Fluidverbindung zwischen der Gegendruckkammer und dem Hochdruckbereich angeordnet ist; wobei in dem Hochdruckkanal und dem Saugdruckkanal mindestens ein Aktorelement angeordnet ist, mittels dessen der Querschnitt des Hochdruckkanals und des Saugdruckkanals veränderbar ist.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist dabei, dass durch das Vorsehen der Aktorelemente und den damit veränderlichen Querschnitt der Druckkanäle die Limitierungen von festen Querschnittsverhältnissen oder mechanisch wirkenden Steuerelementen zur Festlegung der Anpresskraft überwunden werden. Durch Vorsehen der Aktorelemente kann der Gegendruck in der Gegendruckkammer zuverlässig, präzise und schnell gesteuert werden. Dadurch kann der insbesondere bei Druckkanälen mit festen Querschnitten vorgesehene Sicherheitszuschlag der Anpresskraft deutlich verringert werden.
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Somit lässt sich die in der Verdichtereinheit auftretende Reibung zwischen dem Statorspiralenelement und dem orbitierenden Rotorspiralenelement verringern. In Folge dessen reduziert sich die Heißgastemperatur. So können die Kälteleistung und die Effizienz erhöht werden, der Energiebedarf des Scrollverdichters gesenkt werden und aufgrund der reduzierten Reibung die Lebensdauer der Verdichtereinheit erhöht werden. Außerdem kann durch eine dynamische Anpassung der Anpresskraft die Entstehung von Vibrationen des Rotorspiralenelements entlang der axialen Richtung unterdrückt werden, die neben zusätzlichem Verschleiß zu einer erhöhten Geräuschbildung beitragen würden.
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Außerdem kann der Gegendruck mit der vorliegenden Erfindung schnell und zuverlässig an veränderliche Betriebsbedingungen des Scrollverdichters angepasst werden. Dadurch wird beispielsweise eine Anpassung an unterschiedliche Kältemittel ermöglicht.
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Die erfindungsgemäßen Aktorelemente sind Bauelemente, die elektrische Signale, beispielsweise von einem Steuerungscomputer ausgehende Befehle, in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen umsetzen. Aktorelemente greifen damit aktiv in den Prozess der Steuerung der Anpresskraft ein. Die Aktorelemente weisen dazu beispielsweise eine elektrische und/oder eine mechanische und/oder eine pneumatische und/oder eine hydraulische Schnittstelle auf. Sie stellen somit die Möglichkeit bereit, den Querschnitt des Hochdruckkanals und des Saugdruckkanals schnell und einfach zu verändern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Aktorelement des Hochdruckkanals und/oder das Aktorelement des Saugdruckkanals durch ein Aktorelement mit einer Blendengeometrie, ein Nadelventil, einen Kugelhahn, eine Drosselklappe oder einen Formgedächtnisdraht gebildet.
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All diese konstruktiven Ausführungen der Aktorelemente können mittels der oben beschriebenen Schnittstellen angesteuert werden und stellen eine verlässliche Möglichkeit dar, den Querschnitt des Hochdruckkanals und des Saugdruckkanals einzustellen.
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Ein Aktorelement mit einer Blendengeometrie ist mechanisch robust und nimmt in axialer Richtung wenig Bauraum in Anspruch. Ein Nadelventil weist einen zylindrischen Schaft mit einer kegelförmig zulaufenden Spitze auf. Diese kegelförmige Spitze senkt sich in geschlossener Position in eine kegelförmige Bohrung. Die axiale Verstellung der Nadelspitze erfolgt beispielsweise über einen Schrittmotor oder eine mit Strom beaufschlagte Spule und gibt einen kreisringförmigen Querschnitt frei, je weiter sich die Nadelspitze aus der kegelförmigen Bohrung hebt.
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In der Ausführung als Kugelhahn ist das Aktorelement nach dem Prinzip eines Kugelhahns ausgeführt. Hier wird eine durchbohre Kugel als Absperrkörper eingesetzt, die in einem kongruent geformten Hohlraum in der Leitung sitzt. Durch eine Drehung der durchbohrten Kugel um 90° um eine zur Durchbohrung senkrechte Achse kann der Kugelhahn von einem vollständig geöffneten Zustand in einen vollständig geschlossenen Zustand überführt werden. Die Drehung kann wiederum beispielsweise durch einen Schrittmotor bewirkt werden, der direkt oder über ein Getriebe an den Kugelhahn angekoppelt ist.
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Weiter kann die Veränderung des Kanalquerschnitts dadurch erreicht werden, dass das Aktorelement als Drosselklappe ausgeführt ist. auch hier kann der Antrieb des Verschlusselements über einen Schrittmotor oder mittels einer mit Strom beaufschlagten Spule erfolgen. Weitere gängige Antriebskonzepte wie Zahnrad- oder Schneckenradantrieb sind ebenfalls eine Möglichkeit, die Bewegung zu erzeugen.
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Auch kann das Aktorelement durch einen Formgedächtnisdraht gebildet sein. Hierbei wird ein Metalldraht aus einer speziellen Legierung in dem Querschnitt des Druckkanals vorgesehen, wobei der Draht bei Strombeaufschlagung in Abhängigkeit von der Stromstärke seine Form bzw. seinen Durchmesser ändert, um so den Querschnitt des Druckkanals zu verändern.
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In einer (weiteren) bevorzugten Ausführungsform ist das Aktorelement des Hochdruckkanals und das Aktorelement des Saugdruckkanals durch ein Mischventil gebildet, das mit dem Hochdruckkanal, dem Saugdruckkanal und der Gegendruckkammer verbunden ist. Das Mischventil besitzt mindestens zwei Eingänge, die jeweils mit dem Hochdruckkanal und dem Saugdruckkanal verbunden sind, sowie mindestens einen Ausgang, der mit der Gegendruckkammer verbunden ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache und robuste Lösung für die Einstellung des Gegendrucks in der Gegendruckkammer dar. Zur Einstellung des Gegendrucks kann das Mischventil mit mindestens einer elektrischen Steuereinheit verbunden sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Scrollverdichter ein Sensorelement aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine Messgröße zu messen, aus der die durch den Gegendruck in der Gegendruckkammer erzeugbare Anpresskraft ermittelbar ist. Mit Kenntnis der Anpresskraft kann die Steuerung des Gegendrucks mittels der Aktorelemente deutlich präziser und zuverlässiger erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement durch einen Drucksensor gebildet ist, der dazu ausgebildet ist, den in der Gegendruckkammer herrschenden Gegendruck zu messen. Dies ermöglicht eine konzeptuell einfache und zuverlässige Ermittlung der Anpresskraft. Ist die effektive Fläche des Rotorspiralenelements bekannt, an der der Gegendruck in der Gegendruckkammer anliegt, lässt sich die Anpresskraft einfach aus dem Produkt des gemessenen Drucks und der effektiven Fläche berechnen.
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Alternativ kann das Sensorelement durch einen Kraftsensor gebildet sein, der an einer mit dem Rotorspiralenelement verbundenen Antriebswelle, dem Rotorspiralenelement oder dem Statorspiralenelement angeordnet ist. Der Kraftsensor ist dabei so ausgebildet, dass er eine Kraft in Axialrichtung misst, so dass die Anpresskraft direkt ermittelbar ist. Als Kraftsensor können kraftkorrelierende Sensoren verwendet werden, wie etwa Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrische Elemente. Dehnungsmessstreifen ändern ihren Widerstand bei Verformung. In piezoelektrischen Elementen tritt bei Verformung eine elektrische Spannung auf. Mit beiden Sensortypen ist also eine elektronische Erfassung einer auf das Rotorspiralenelement oder das Statorspiralenelement wirkenden Kraft möglich.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Scrollverdichter eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, das mindestens eine Aktorelement zu steuern, derart, dass die durch den Gegendruck in der Gegendruckkammer erzeugbare Anpresskraft steuerbar ist, insbesondere in Abhängigkeit von der mittels des Sensorelements ermittelten Anpresskraft. Durch die Kombination der durch die Aktorelemente bereitgestellten Aktuatorik und einen Steuerkreis mit der Tatsächlich vorliegenden Anpresskraft als Steuergröße ist es möglich, bei jedem Betriebszustand des Scrollverdichters einen optimalen Anpressdruck durch Veränderung der Querschnitte des Hochdruckkanals und des Saugdruckkanals einzustellen.
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Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin ein Scrollverdichter angegeben, der Folgendes aufweist: eine Verdichtereinheit mit einem feststehenden Statorspiralenelement und einem rotierbaren, relativ zum Statorspiralenelement axial beweglich gelagerten Rotorspiralenelement, wobei die Verdichtereinheit dazu ausgebildet ist, ein zu verdichtendes Fluid aus einem Ansaugbereich anzusaugen, zu verdichten und in einen Hochdruckbereich zu fördern; eine Antriebswelle, die mit dem Rotorspiralenelement auf einer dem Statorspiralenelement abgewandten Seite gekoppelt ist, um eine Rotationsbewegung auf das Rotorspiralenelement zu übertragen, und die in axialer Richtung beweglich gelagert ist; und einen Aktor, der dazu ausgebildet ist, eine Anpresskraft auf die Antriebswelle in axialer Richtung auszuüben, um das Rotorspiralenelement gegen das Statorspiralenelement zu pressen.
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Durch die Integration eines Aktors entlang der axialen Richtung, in der sich das Rotorspiralenelement und das Statorspiralenelement gegenüber liegen, ist es möglich, über die mechanische Bewegung des Aktors die Anpresskraft zu erzeugen, mit der das Rotorspiralenelement an das Statorspiralenelement angepresst werden muss. Da die Anpresskraft variabel einstellbar ist, ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung. Ein besonderer Vorteil bei dieser Variante der Anpresskrafterzeugung liegt darin, dass ein Zuführen von bereits verdichtetem Kältemittel von der Hochdruckseite zurück in den Verdichtungsprozess ausbleibt. Somit ist an der Verdichtereinheit nahezu kein Leckstrom mehr vorhanden, was den volumetrischen Wirkungsgrad steigert. Generell sind sowohl Applikationen möglich, die direkt eine Aktorbewegung auf die Welle übertragen, z.B. durch einen an der Antriebswelle angeordneten Schrittmotor mit Stößel, als auch eine indirekte Kraftübertragung mittels Hebeln oder über ein Getriebe.
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Unter einem Aktor soll allgemein ein Antriebselement verstanden werden, das elektrische Signale, die beispielsweise von einer Steuerelektronik ausgehen, in mechanische Bewegung umsetzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor durch ein piezoelektrisches Element gebildet. Dies ermöglicht eine besonders genaue Einstellung der Anpresskraft.
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Es ist ferner bevorzugt, dass der Scrollverdichter ein Sensorelement aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine Messgröße zu messen, aus der die durch den Aktor erzeugbare Anpresskraft ermittelbar ist. Dies erlaubt eine genauere Steuerung der Anpresskraft, bei der Veränderungen im Betriebszustand des Scrollverdichters berücksichtigt werden können.
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Es ist weiter bevorzugt, dass das Sensorelement durch einen Kraftsensor gebildet ist, der an der Antriebswelle, dem Statorspiralenelement oder dem Rotorspiralenelement angebracht ist. Dies ermöglicht eine direkte und zuverlässige Bestimmung der Anpresskraft. Als Kraftsensoren können wiederum die oben beschriebenen kraftkorrelierenden Sensoren verwendet werden.
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In einer (weiteren) bevorzugten Ausführungsform weist der Scrollverdichter eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den Aktor zu steuern, derart, dass die durch den Aktor erzeugbare Anpresskraft steuerbar ist, insbesondere in Abhängigkeit von der mittels des Sensorelements ermittelten Anpresskraft. Das Bereitstellen einer einstellbaren Anpresskraft für das Rotorspiralenelement in Kombination mit einer Steuerung der Anpresskraft anhand der ermittelten Anpresskraft ermöglicht wiederum eine präzise Anpassung der Anpresskraft in jedem Last- und Betriebszustand des Scrollverdichters.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Scrollverdichter eine Ölrückführung aufweist, die eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Ansaugbereich bildet, um in dem Hochdruckbereich befindliches Öl in den Ansaugbereich rückzuführen, wobei in der Ölrückführung ein Ölrückführungs-Aktorelement angeordnet ist, mittels dessen der Querschnitt der Ölrückführung veränderbar ist. In dem Scrollverdichter erfolgt die radiale Abdichtung zwischen den zueinander orbitierenden Spiralelementen durch das Vorsehen von flüssigem Öl, das von dem Ansaugbereich in die Verdichtereinheit mitgerissen wird und nach dem Verdichtungsprozess im Hochdruckbereich aus dem verdichteten Fluid abgeschieden wird. Analog zu dem in der Ausführungsform gemäß Anspruch 1 beschriebenen Einsatz von Aktorelementen für die Einstellung des Gegendrucks lässt sich auch für die Ölrückführung durch den Einsatz des Ölrückführungs-Aktorelements der Querschnitt der Ölrückführung variieren und damit die Ölrückführung abhängig vom Betriebszustand des Scrollverdichters steuern. Für das Ölrückführungs-Aktorelement können wiederum die oben beschriebenen Arten von Aktorelementen zum Einsatz kommen. Alternativ kann ein Magnetventil als Ölrückführungs-Aktorelement verwendet werden, das nur eine geöffnete oder geschlossene Position einnehmen kann. Die rückgeführte Ölmenge kann dann über die Steuerung einer Taktfrequenz erfolgen, mit der das Magnetventil geöffnet und geschlossen wird.
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Es ist ferner bevorzugt, dass der Scrollverdichter einen Füllstandsensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, einen Ölfüllstand in dem Hochdruckbereich zu messen. So kann die Ölrückführung weiter optimiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Scrollverdichter einen Drehzahlsensor auf, der dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl des Rotorspiralenelements zu messen. Dies erlaubt eine genauere Steuerung des Scrollverdichters, insbesondere der Anpresskraft, da mit dem Drehzahlsensor neben der Drehzahl auch Drehungleichförmigkeiten erfasst werden können, die lastbedingt durch den Verdichtungsprozess verursacht werden können. Durch die Berücksichtigung dieses Parameters bei der Einstellung der Anpresskraft können unregelmäßige Drehbewegungen aktiv kompensiert werden.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der Scrollverdichter eine Drehantriebssteuerung aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Rotationsantrieb des Rotorspiralenelements in Abhängigkeit von der mittels des Drehzahlsensors ermittelten Drehzahl zu steuern. In Kombination mit dem Drehzahlsensor kann beispielsweise die Drehkraft, mit der der Rotationsantrieb das Rotorspiralenelement antreibt, reduziert werden, sobald beispielsweise eine Verdichtung in der Verdichtereinheit erfolgt ist und die Drehmomentlast an der Antriebswelle kurzzeitig bis zum nächsten Druckmaximum in der Verdichtereinheit abnimmt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Scrollverdichter einen Hochdrucksensor auf, der dazu ausgebildet ist, einen Druck in der Verdichtereinheit zu messen. Der Hochdrucksensor ist vorzugsweise ein hochdynamischer Drucksensor mit geringer Hysterese, der dazu ausgebildet ist, den maximalen Druck des zu verdichtenden Fluids in der Hochdruckkammer in Flussrichtung des Fluids vor einen Auslass in der Hochdruckkammer zu messen.
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Es ist dabei ferner bevorzugt, dass die Drehantriebsteuerung dazu ausgebildet ist, die Steuerung des Rotationsantriebs in Abhängigkeit von dem Druck in der Verdichtereinheit zu steuern. Dadurch kann nach einem Druckstoß in der Verdichtereinheit ein sprunghafter Anstieg der Drehzahl des Rotorspiralenelements ausgeglichen werden, der dadurch bedingt wird, dass bei einem Druckabfall in der Verdichtereinheit die Drehzahl bei gleichbleibender Drehkraft des Rotationsantriebs stark ansteigt. Dadurch können Drehstöße im Betrieb des Scrollverdichters aktiv reduziert werden.
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Es ist ferner bevorzugt, dass der Scrollverdichter einen Temperatursensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des zu verdichtenden Fluids im Hochdruckbereich, vorzugsweise direkt an einem Ausgang der Verdichtereinheit zu messen. Dies kann einerseits als Sicherheitsmaßnahme vorgesehen sein, um den Scrollverdichter bei Überschreiten einer Grenztemperatur auszuschalten. Andererseits kann unter Zuhilfenahme entsprechender Stoffdaten, die auf einem Steuergerät hinterlegbar sind, der Aggregatszustand des zu verdichtenden Fluids in dem Hochdruckbereich bestimmt werden. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob flüssiges Kältemittel in der Verdichtereinheit vorliegen kann. Entsprechend ist es dann möglich, das Anlaufverhalten des Scrollverdichters in geeigneter Weise zu steuern.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Anpresskraft in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem momentanen Drehwinkel und/oder dem Druck in der Verdichtereinheit und/oder der Temperatur des zu verdichtenden Fluids im Hochdruckbereich zu steuern. Damit kann Je nach Betriebszustand während eines Arbeitsspiels im Ablauf einer Umdrehung des Rotorspiralenelements die Axialkraft gesteuert werden. Dabei lässt sich beispielsweise bei Detektion eines vorzeitig abfallenden Hochdrucks in der Verdichtereinheit die Axialkraft unmittelbar an die veränderten Betriebsbedingungen anpassen und dynamisch während des Ablaufs einer Umdrehung des Rotorspiralenelements optimieren.
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So kann der Verschleiß der Verdichtereinheit reduziert und die Lebensdauer der Verdichtereinheit erhöht werden, die Effizienz des Scrollverdichters weiter verbessert werden und die Anregung von Schwingungen und Vibrationen durch eine periodische axiale Bewegung des Rotorspiralenelements während des Verdichtungsprozesses unterdrückt werden. Insbesondere bei Einsatz der Erfindung für einen Scrollverdichter für Pkws kann auf herkömmliche Maßnahmen zur Vibrationsreduzierung wie entsprechende mechanische Entkopplungen, Lagerungen, Dämpfungselemente, die Integration zusätzlicher Massen oder dergleichen dann verzichtet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Figuren näher erläutert werden. Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 einen Schnitt eines Scrollverdichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 1 mit veränderter Druckkanalführung;
- 3 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 2 mit einer modifizierten Ausführung des Aktorelements;
- 4 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 3 mit einem Sensorelement;
- 5 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 1 mit einem Sensorelement;
- 6 eine weitere Modifikation des Scrollverdichters gemäß 1 mit einer weiteren Alternative für ein Sensorelement;
- 7 eine weitere Modifikation des Scrollverdichters gemäß 1 mit einer weiteren Alternative für ein Sensorelement;
- 8 einen Schnitt eines Scrollverdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 9 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 8;
- 10 einen Schnitt eines Scrollverdichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem alternativen Aktor;
- 11 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 8 mit einem Sensorelement;
- 12 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 11 mit einem Ölrückführungs-Aktorelement;
- 13 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 12 mit einem Füllstandsensor;
- 14 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 13 mit einem Drehzahlsensor;
- 15 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 14 mit einem Hochdrucksensor;
- 16 eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 15 mit einem Temperatursensor.
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1 zeigt einen Schnitt eines Scrollverdichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Scrollverdichter weist ein Gehäuse 50 mit einer im wesentlichen zylindrischen Form auf. Die Zylinderachse Z des Gehäuses 50 ist mit einer strichpunktierten Linie dargestellt. Die Richtung parallel zur Zylinderachse Z des Gehäuses 50 wird im Folgenden als axiale Richtung bezeichnet.
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Nahe dem einen axialen Ende weist das Gehäuse 50 an der Mantelfläche einen Fluideinlass 51 auf, durch den zu verdichtendes Fluid in den Scrollverdichter einleitbar ist. Das Fluid wird über den Fluideinlass 51 in einen Ansaugbereich 30 eingeleitet. An den Ansaugbereich 30 schließt sich in axialer Richtung eine Verdichtereinheit 20 an, in die Fluid aus dem Ansaugbereich 30 bei Betrieb des Scrollverdichters angesaugt und dort verdichtet wird. An die Verdichtereinheit 20 schließt sich wiederum in axialer Richtung ein Hochdruckbereich 40 an, in den das in der Verdichtereinheit 20 verdichtete Fluid gefördert wird und aus dem es durch einen Fluidauslass 52 im Gehäuse 50 des Scrollverdichters ausströmt. Im Folgenden werden die Funktionseinheiten des Scrollverdichters im Einzelnen beschrieben.
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In dem Ansaugbereich 30 ist eine Antriebswelle 23 angeordnet, die mittels zweier Lager 24a, 24b drehbeweglich gelagert ist. Die Antriebswelle 23 ist drehfest mit einem Rotor 24 eines elektrischen Motors verbunden, der von einem Stator 25 des elektrischen Motors umgeben ist. Die Antriebswelle 23 kann mittels des elektrischen Motors rotierend angetrieben werden. Die für die Steuerung des elektrischen Motors benötigte Elektronik ist in einem Elektronikgehäuse 70 untergebracht, das angrenzend zum Gehäuse 50 des Scrollverdichters angeordnet ist.
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Der Ansaugbereich 30 ist über eine Verdichterzuleitung 27 mit der Verdichtereinheit 20 verbunden. Die Verdichtereinheit wird im Wesentlichen durch zwei Spiralenelemente gebildet, nämlich ein im Gehäuse unbeweglich gelagertes Statorspiralenelement 21 und ein relativ zu dem Statorspiralenelement 21 beweglich gelagertes Rotorspiralenelement 22. Beide Spiralenelemente weisen eine Bodenplatte 21a, 22a auf, die sich jeweils senkrecht zur Zylinderachse Z des Scrollverdichters erstreckt.
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Von den Bodenplatten 21a, 22a der Spiralenelemente erstreckt sich jeweils parallel zur Zylinderachse Z eine Spiralwand 21b, 22b. Die Spiralenelemente sind in der Verdichtereinheit 20 so angeordnet, dass die Spiralwände 21b, 22b ineinandergreifen. Die Spiralwände jedes Spiralelements erstrecken sich bis zur Bodenplatte des gegenüberliegenden Spiralenelements. An den Enden der Spiralwände 21b, 22b, die mit den gegenüberliegenden Bodenplatten 22a, 21a in Kontakt sind, sind Dichtelemente angeordnet, die in 1 als schwarze Quadrate dargestellt sind. Die Dichtelemente dienen einer gegenseitigen Abdichtung der Spiralenelemente in axialer Richtung.
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Das Rotorspiralenelement 22 ist gegenüber dem Statorspiralenelement 21 senkrecht zur Zylinderachse Z versetzt angeordnet. Das Rotorspiralenelement 22 ist mittels eines Lagers 24c drehbar auf der Antriebswelle 23 gelagert, wobei das Rotorspiralenelement 22 exzentrisch bezüglich der Antriebswelle 23 angeordnet ist, wie in 1 dargestellt ist.
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Durch die bezüglich der Antriebswelle 23 exzentrische und auf dem Lager 24c drehbare Lagerung des Rotorspiralenelements 22 wird eine Rotation der Antriebswelle 23 in eine orbitierende Bewegung des Rotorspiralenelements 22 gegenüber dem feststehenden Statorspiralenelement 21 übersetzt. Bei dieser orbitierenden Bewegung rollt die Spiralwand 22b auf der Spiralwand 21b ab. Zwischen den Spiralwänden 21b, 22b entstehen dabei sichelförmige Taschen, die bei der orbitierenden Bewegung des Rotorspiralenelements 22 in Richtung des Zentrums der Spiralen wandern, wobei sich deren Volumen verringert. Dadurch wird das über die Verdichterzuleitung 27 radial von außen in die Verdichtereinheit 20 eingebrachte Fluid bei der orbitierenden Bewegung des Rotorspiralenelements 22 verdichtet.
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Die Verdichtereinheit 20 weist auf der dem Hochdruckbereich 40 zugewandten Seite nahe der Zylinderachse Z ein Heißgasventil 26 auf, durch das verdichtetes Fluid aus der Verdichtereinheit 20 in eine Hochdruckkammer 41 in dem Hochdruckbereich 40 ausgeschoben wird. Das Heißgasventil 26 ist ein Rückschlagventil, das die Strömung von verdichtetem Fluid aus der Verdichtereinheit 20 in die Hochdruckkammer 41 ermöglicht und eine Rückströmung von verdichtetem Fluid aus der Hochdruckkammer 41 zurück in die Verdichtereinheit 20 verhindert.
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Das verdichtete Fluid strömt aus der Hochdruckkammer 41 über einen Überströmkanal 43 in eine Ölabscheidungskammer 42. Zur Schmierung des elektrischen Motors im Ansaugbereich 30 und zur radialen Abdichtung der Spiralenelemente in der Verdichtereinheit 20 befindet sich in dem Ansaugbereich 30 flüssiges Öl, das in Kontakt mit den Komponenten des elektrischen Motors ist und im Betrieb des Scrollverdichters über den Massenstrom des gasförmigen Fluids in dem Ansaugbereich 30 beim Ansaugen in die Verdichtereinheit 20 mitgerissen wird. Das in den Hochdruckbereich 40 ausgetragene Öl wird in der Ölabscheidungskammer 42 abgeschieden, indem der Überströmkanal 43 so ausgebildet ist, dass das passierende Gemisch aus Öl und Fluid im Wesentlichen tangential in die Ölabscheidungskammer 42 eintritt, die zylindrisch ausgebildet ist. Die Kombination aus tangentialem Überströmkanal 43 und zylindrischer Ölabscheidungskammer 42 wirkt als Zentrifugalabscheider.
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Durch die tangentiale Einströmung in den zylinderförmigen Raum wird in dem Bereich an der Wand der Ölabscheidungskammer 42 ein Wirbel ausgebildet. Unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft wird das Öl an der Wand abgeschieden, von wo es zum Boden der Ölabscheidungskammer 42 fließt. Das Fluid umströmt zunächst ein Tauchrohr 44, das von oben bis unter die Höhe des Überströmkanals 43 in die Ölabscheidungskammer 42 ragt, und steigt nach Abscheidung des Öls in dem Tauchrohr 44 zu dem Fluidauslass 52 des Gehäuses 50 auf. Die Strömung des Fluids in der Ölabscheidungskammer 42 ist in 1 mit einem Pfeil angedeutet.
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Das abgeschiedene Öl kann über eine Ölrückführung 60 am Boden der Ölabscheidungskammer 42 zurück in den Ansaugbereich 30 geleitet werden.
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Um die für den Verdichtungsprozess erforderliche Abdichtung in axialer Richtung zu erreichen, muss das beweglich gelagerte Rotorspiralenelement 22 in axialer Richtung mit einer Anpresskraft beaufschlagt werden, um das Rotorspiralenelement 22 gegen das Statorspiralenelement 21 zu pressen. Zu diesem Zweck ist auf der dem Statorspiralenelement 21 abgewandten Seite des Rotorspiralenelements 22 eine Gegendruckkammer 10 angeordnet. Die Gegendruckkammer 10 wird an einer Seite von der Bodenplatte 22a des Rotorspiralenelements 22 begrenzt. Wird die Gegendruckkammer 10 mit einem Druck beaufschlagt, bewirkt dieser eine Anpresskraft auf das Rotorspiralenelement 22, mit der das Rotorspiralenelement 22 gegen das Statorspiralenelement 21 gepresst wird.
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Die Gegendruckkammer 10 steht in Fluidverbindung mit einer Mischkammer 105. Die Mischkammer steht 105 steht in Fluidverbindung mit dem Ansaugbereich 30 und dem Hochdruckbereich 40. Die Fluidverbindung mit dem Ansaugbereich 30 ist durch einen Saugdruckkanal 103 hergestellt. Die Fluidverbindung zu dem Hochdruckbereich 40 ist durch einen Hochdruckkanal 104 hergestellt. Der Saugdruckkanal 103 und der Hochdruckkanal 104 sind als Bohrungen in dem Gehäuse 50 ausgebildet.
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Durch den Saugdruckkanal 103 strömt Fluid mit einem in dem Ansaugbereich 30 herrschenden Saugdruck in die Mischkammer 105. Über den Hochdruckkanal 104 strömt verdichtetes Fluid auf Hochdruckniveau in die Mischkammer 105. In der Mischkammer 105 entsteht somit ein Gegendruck, der sich aus den Anteilen von Saug- und Hochdruck ergibt. Dieses Druckniveau stellt sich auch in der Gegendruckkammer 10 ein.
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Um den Gegendruck in der Mischkammer 105, und damit den Gegendruck in der Gegendruckkammer 10 einstellen zu können, sind die Querschnitte des Saugdruckkanals 103 und des Hochdruckkanals 104 veränderlich. Dies wird dadurch erreicht, dass in dem Saugdruckkanal 103 ein erstes Aktorelement 101 und in dem Hochdruckkanal 104 ein zweites Aktorelement 102 angeordnet ist. In Abhängigkeit der Querschnitte der beiden Druckkanäle 103 und 104, die mittels der Aktorelemente 101 und 102 eingestellt werden, kann der Gegendruck in der Gegendruckkammer 10, und somit die Anpresskraft für das Rotorspiralenelement 22 eingestellt werden.
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Die Aktorelemente 101 und 102 sind in 1 jeweils mit einem Schrittmotor verbunden dargestellt. Der Schrittmotor der Aktorelemente 101 und 102 erzeugt eine Drehbewegung, die auf ein in den Druckkanälen angeordnetes Aktorelement übertragen wird, der durch seine Bewegung den Querschnitt des jeweiligen Druckkanals ändert. Konkrete mögliche Ausführungsformen für Aktorelemente sind beispielsweise Blenden, Nadelventile, Kugelhähne oder Drosselklappen. Statt eines motorbetriebenen Aktorelements können auch andere Vorrichtungen verwendet werden, die eine kontrollierte Querschnittsänderung der Druckkanäle erlauben.
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2 zeigt eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 1. In dem in 2 gezeigten modifizierten Ausführungsbeispiel entfällt die Mischkammer 105. Der Hochdruckkanal 104 und der Ansaugkanal 103 sind über eine Bohrung direkt mit der Gegendruckkammer 10 verbunden.
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3 zeigt ein weiter modifiziertes Ausführungsbeispiel des Scrollverdichters gemäß 1 und 2. Die Aktorelemente 101 und 102 sind durch ein Aktorelement ersetzt, das durch ein Mischventil 101a gebildet ist. Die zwei Eingänge des Mischventils 101a sind jeweils mit dem Hochdruckkanal 104 und dem Saugdruckkanal 103 verbunden. In Abhängigkeit der Ventilstellung des Mischventils 101a entsteht am Ventilausgang, der mit der Gegendruckkammer 10 verbunden ist, ein Mitteldruck aus den anteiligen Zuströmen von Saug- und Hochdruck. Das Mischventil 101a ist wiederum mit einem Motor verbunden, über den die Ventilstellung einstellbar ist.
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Durch das Vorsehen der Aktorelemente 101 und 102 bzw. 101a kann die Anpresskraft des Rotorspiralenelements 22 je nach verwendetem Fluid oder in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand des Scrollverdichters variiert werden. Um eine genauere Einstellung der Anpresskraft zu erlauben, kann der in 1 bis 3 gezeigte Scrollverdichter dahingehend erweitert werden, dass eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Anpresskraft in den Scrollverdichter integriert wird. In den 4 bis 7 sind entsprechend modifizierte Ausführungsbeispiele gezeigt.
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4 zeigt ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 3 modifiziertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scrollverdichters, bei dem ein Sensorelement in Gestalt eines Drucksensors 110 vorgesehen ist. Der Drucksensor 110 ist in der Gegendruckkammer 10 angeordnet und dazu ausgebildet, den in der Gegendruckkammer 10 herrschenden Gegendruck zu messen. Wird der so ermittelte Wert des Gegendrucks mit der Größe der Fläche der Bodenplatte 22a des Rotorspiralenelements 22 multipliziert, die in direktem Kontakt mit der Gegendruckkammer 10 ist, also einer effektiven Fläche der Bodenplatte 22a, auf die der von dem Drucksensor 110 ermittelte Gegendruck wirkt, ergibt sich die Anpresskraft, die auf das Rotorspiralenelement 22 wirkt.
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5 zeigt eine Modifikation des Ausführungsbeispiels von 1. Hier ist das Sensorelement durch einen Kraftsensor 111 gebildet, welcher an dem dem Rotorspiralenelement 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 23 angeordnet ist. Der Kraftsensor 111 ist durch ein axiales Gleitlager 112 von der Antriebswelle 23 bzw. deren Drehbewegung entkoppelt. Da der Kraftsensor 111 nahe dem axialen Ende des Gehäuses 50 angeordnet ist, an dem sich das Elektronikgehäuse 70 befindet, ist die für den Betrieb des Kraftsensors 111 erforderliche Kraftsensorelektronik 111a in dem Elektronikgehäuse 70 untergebracht.
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Der Kraftsensor 111 ist so angeordnet, dass er eine Kraft misst, die in unmittelbarem Zusammenhang mit der Anpresskraft steht. Der Kraftsensor 111 kann durch ein piezoelektrisches Element gebildet sein, bei dem eine Krafteinwirkung und damit verbundene Deformation des piezoelektrischen Elements zum Auftreten einer elektrischen Spannung führt, deren Betrag proportional zum Betrag der Deformation ist. Unter Verwendung einer entsprechenden Kennlinie, die vorab bestimmbar und in der Kraftsensorelektronik 111a hinterlegbar ist, kann die auf den Kraftsensor 111 wirkende Kraft ermittelt werden, aus der wiederum bei geeigneter Kalibrierung des Systems auf die Anpresskraft geschlossen werden kann. Diese Modifikation kann selbstverständlich auch auf das Ausführungsbeispiel von 2 oder 3 angewendet werden.
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6 und 7 zeigen weitere mögliche Ausführungen für einen Kraftsensor als Modifikation des Ausführungsbeispiels aus 1. Diese Modifikationen sind auch auf die Ausführungsbeispiele der 2 oder 3 anwendbar. In diesen modifizierten Ausführungsbeispielen ist der Kraftsensor 111 durch einen Dehnungsmessstreifen gebildet, der an der Bodenplatte 21a des Statorspiralenelements 21 auf der dem Rotorspiralenelement 22 zugewandten Seite angebracht ist, siehe 6, oder auf an der Bodenplatte 21a des Statorspiralenelements 21 auf der dem Rotorspiralenelement 22 abgewandten Seite, siehe 7. Dehnungsmessstreifen ändern ihren Widerstand bei Verformung. Mit entsprechender Kalibrierung kann mittels dieser Sensoranordnung also direkt die Anpresskraft ermittelt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, piezoelektrische Elemente als Kraftsensoren an den in 6 und 7 gezeigten Positionen zu verwenden.
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Mit den in 4 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen lässt sich die Anpresskraft, mit der das Rotorspiralenelement 22 an das Statorspiralenelement 21 gepresst wird, ermitteln. Die in Echtzeit ermittelte Anpresskraft kann nun als Steuergröße in einem Steuerkreis verwendet werden, um die Aktorelemente derart zu steuern, dass die Anpresskraft auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, um in jedem beliebigen Betriebspunkt bzw. Lastpunkt des Scrollverdichters den optimalen Anpressdruck durch den über die Aktorelemente steuerbaren Gegendruck anzupassen. Der hierzu benötigte Steuerkreis ist in den 4 bis 7 nicht dargestellt. Er kann in dem Elektronikgehäuse 70 vorhanden sein, oder in einem eigenen Steuergerät untergebracht sein. Alternativ kann der Steuerkreis auch in einer vorhandenen Fahrzeugintelligenz vorhanden sein, falls der Scrollverdichter in einem Pkw eingesetzt wird.
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8 zeigt einen Schnitt eines Scrollverdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel in 8 unterscheidet sich von den in 1 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen in der konstruktiven Lösung zur Erzeugung der Anpresskraft. Gleiche Komponenten werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und im Folgenden nicht näher beschrieben. Die Beschreibung konzentriert sich stattdessen auf die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel und seinen Modifikationen.
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Die Antriebswelle in 23 in 8 dient wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Erzeugung der orbitierenden Bewegung des Rotorspiralenelements 22. Die Antriebswelle 23 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in dem Scrollverdichter in axialer Richtung beweglich gelagert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Lager 24a, 24b als Loslager ausgeführt sind. Die Verdichterzuleitung 27, die den Ansaugbereich 30 fluidtechnisch mit der Verdichtereinheit 20 verbindet, ist weiterhin vorgesehen. Die Saugdruck- und Hochdruckkanäle sind hingegen nicht vorhanden. Die Erzeugung der Anpresskraft erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Aktor 120 vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, eine Anpresskraft auf die Antriebswelle 23 in axialer Richtung auszuüben, um das Rotorspiralenelement 22 gegen das Statorspiralenelement 21 zu pressen.
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In 8 ist der Aktor 120 dem der Verdichtereinheit 20 abgewandten axialen Ende des Antriebswelle 23 angeordnet. Der Aktor 120 ist von der Rotationsbewegung der Antriebswelle 23 durch ein Gleitlager 112 oder eine vergleichbare Maßnahme entkoppelt. Eine Aktorelektronik 112a, die für die Ansteuerung des Aktors 120 benötigt wird, ist im Elektronikgehäuse 70 angeordnet.
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Durch die Integration des Aktors 120 entlang der Drehachse der Antriebswelle 23 ist es möglich, ein Ansteuersignal für den Aktor 120 in mechanische Bewegung umzuwandeln. Die Bewegung des Aktors 120 überträgt sich auf die Antriebswelle 23. Somit kann über die mechanische Bewegung des Aktors 120 die Anpresskraft zwischen dem Rotorspiralenelement 22 und dem Statorspiralenelement 21 erzeugt werden.
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Generell sind für den Aktor 120 Ausführungen möglich, die direkt eine Aktorbewegung auf die Antriebswelle 23 übertragen. In diesem Fall kann der Aktor 120 beispielsweise durch einen Schrittmotor mit Stößel gebildet sein. Alternativ ist es möglich, den Aktor 120 über Hebel oder über ein Getriebe an die Antriebswelle 23 zu koppeln, insbesondere auch mit einer Über- oder Untersetzung.
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Ein Vorteil der Anpresskrafterzeugung durch einen auf die Antriebswelle 23 einwirkenden Aktor 120 besteht darin, dass keine Rückführung von bereits verdichtetem Fluid aus dem Hochdruckbereich 40 zurück in den Verdichtungsprozess stattfindet. Somit kann der Leckstrom des zu verdichteten Fluids deutlich verringert werden, was den volumetrischen Wirkungsgrad des Scrollverdichters steigert.
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9 zeigt eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 8. Hier ist an dem axialen Ende der Antriebswelle 23, an der der Aktor 120 angeordnet ist, ein Anschlag 113 vorgesehen, der die Bewegung der Antriebswelle 23 in axialer Richtung beschränkt, unabhängig von einer minimalen Aktorbewegung. Diverse Aktoren verhalten sich bei minimalem Ansteuergrad nicht linear zum ihrem eigentlichen Arbeitsbereich. Dadurch, dass der Aktor 120 zuerst also einen gewissen Hub bzw. eine gewisse Bewegung durchführen muss, bevor dieser die Antriebswelle 23 berührt, kommt er in seinen linearen Wirkbereich, was eine präzise und reproduzierbare Regelung ermöglicht. Um bei diesem Vorgang eine Beschädigung des Scrollverdichters zu verhindern, ist der Anschlag 113 für die Antriebswelle vorgesehen. 9 illustriert zudem eine Kopplung des Aktors 120 an die Antriebswelle 23 über ein Getriebe 122.
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10 zeigt einen Scrollverdichter mit einer alternativen Auslegung des Aktors 120. Neben Aktoren im üblichen Sinne ist für die Aufbringung der Anpresskraft auch die Erzeugung einer axialen Kraft auf die Antriebswelle 23 mit einem Magnetfeld möglich. Die Antriebswelle 23 wirkt dabei als Anker in einer Spule 130. Die Elektronik der Spule 130 kann bei diesem Ausführungsbeispiel wiederum im Elektronikgehäuse 70 untergebracht werden. Über die Bestromung der Spule 130 kann die entsprechende Auslenkung der Antriebswelle 23 angeregt werden, welche wiederum die die Anpresskraft zwischen dem Rotorspiralenelement 22 und dem Statorspiralenelement 21 erzeugt. Zur Montage und zum Einstellen eines Abstandes der als Rotor fungierenden Antriebswelle 23 zur Spule 130 können Distanzelemente 131 vorgesehen sein.
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Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel und seinen Modifikationen gemäß den 1 bis 7 ist es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem die Anpresskraft durch den auf die Antriebswelle 23 wirkenden Aktor 120 erzeugt wird, sinnvoll, den tatsächlichen Wert der momentanen Anpresskraft zu ermitteln. Dies ist beispielhaft in 11 illustriert, die eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 8 zeigt. Ein Kraftsensor 121 ist zwischen dem Aktor 120 und der Antriebswelle 23 angeordnet und misst die auf die Antriebswelle 23 von dem Aktor 120 aufgebrachte Kraft. Für den Kraftsensor 121 benötigte Kraftsensorelektronik 121a kann wiederum im Elektronikgehäuse 70 angeordnet werden.
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Die von dem Kraftsensor 121 ermittelte Anpresskraft kann analog dem ersten Ausführungsbeispiel und seinen Modifikationen wieder in einem Steuerkreis verwendet werden, um die Anpresskraft abhängig von aktuellen Betriebsbedingungen und -zuständen des Scrollverdichters optimal einzustellen. Hierzu können auch die in 6 und 7 gezeigten Positionen und Ausführungen des Kraftsensors verwendet werden.
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12 zeigt eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 11. Hier ist in der Ölrückführung 60 ein Ölrückführungs-Aktorelement 61 vorgesehen. Durch den Einsatz Ölrückführungs-Aktorelement 61 in der Ölrückführung 60 lässt sich, analog den Aktorelementen in den Druckkanälen des ersten Ausführungsbeispiels, der Querschnitt der Ölrückführung 60 variieren und damit die Rückführung des Öls aktiv und unabhängig von einem Lastpunkt gestalten.
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Als Ölrückführungs-Aktorelement 61 können grundsätzlich die gleichen Aktorelemente verwendet werden, die auch in für die Aktorelemente 101, 102 des ersten Ausführungsbeispiels verwendet werden. Alternativ ist auch der Einsatz eines Magnetventils möglich, welches zwar nur die geöffnete oder die geschlossene Position einnehmen kann, mit dem jedoch über die Taktfrequenz der Öffnungs- und Schließbefehle die Ölmenge reguliert werden kann.
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Um die Ölrückführung genauer steuern zu können, kann auch für das Ölrückführungs-Aktorelement 61 eine entsprechende Steuerung vorgesehen sein. Dazu muss die im Hochdruckbereich 40 befindliche Ölmenge oder eine dazu proportionale Messgröße verfügbar sein. 13 zeigt eine entsprechende Modifikation des Ausführungsbeispiels aus 12. Zur Bestimmung der Ölmenge in dem Hochdruckbereich ist am unteren Ende der Ölabscheidungskammer 42 ein Füllstandsensor 62 angeordnet, mit dem die Menge des in der Ölabscheidungskammer 42 abgeschiedenen Öls bestimmt werden kann. Anhand dieser Messwerte kann die Ölrückführung durch Steuerung des Ölrückführungs-Aktorelements 61 reguliert werden. Somit kann eine optimale zirkulierende Ölmenge eingestellt werden, welche wiederum zu einer Effizienzsteigerung beitragen kann.
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Prinzipiell entsteht auch über die Ölrückführung 60 ein interner Fluid-Leckagestrom. Über das Schließen der Ölrückführung 60 mittels des Ölrückführungs-Aktorelements 61 kann dieser vermieden werden. Voraussetzung ist nur, dass über die Saugseite aus dem Verdichtungskreislauf eine ausreichende Menge an Öl zurückkommt, dass es eine Schmierung und Abdichtung innerhalb der Verdichtereinheit 20 sichergestellt ist.
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14 zeigt eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 13. Zusätzlich zu der in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensorik ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Drehzahlsensor 123 vorgesehen, der die Drehzahl der Antriebswelle 23 misst. Der Drehzahlsensor 123 kann an dem axialen Ende der Antriebswelle 23 angeordnet sein, an dem sich auch der Aktor 120 befindet. Alternativ, wie in 14 gezeigt, kann der Drehzahlsensor 123 auch an dem der Verdichtereinheit 20 zugewandten Ende des Ansaugbereichs 30 vorgesehen sein. Hier kann der Drehzahlsensor 123 entweder auf die Mantelfläche der Antriebswelle 23 ausgerichtet sein oder alternativ axial auf die Deckfläche des Rotors 24. Als Drehzahlsensor 123 kann beispielsweise ein Inkrementalgeber mit optischer oder magnetischer Wirkungsweise verwendet werden.
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Für den Betrieb des Drehzahlsensor 123 benötigte Drehzahlsensorelektronik 123a kann wiederum, wie in 14 gezeigt, im Elektronikgehäuse 70 untergebracht sein.
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Mit dem Drehzahlsensor 123 lässt sich die momentane Drehzahl der Antriebswelle 23, und damit auch eine Drehungleichförmigkeit der Antriebswelle 23, welche lastbedingt durch den Verdichtungsprozess entstehen kann, erfassen. Die Kenntnis, mit welcher Funktion die Drehungleichförmigkeit dem Verdichtungsprozess folgt, oder wann ein Maximum bzw. ein Minimum der Drehungleichförmigkeit vorliegt, lässt Maßnahmen zu, diese unregelmäßigen Drehbewegungen aktiv zu beeinflussen bzw. zu kompensieren. Dazu kann die ermittelte Drehzahl in der Steuerung der Anpresskraft entsprechend berücksichtigt werden. Beispielweise kann eine sinkende Drehzahl durch eine Verringerung der Anpresskraft kompensiert werden und umgekehrt.
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Ein Vorteil der Steuerung der Anpresskraft unter Berücksichtigung der Drehzahl bzw. Drehungleichförmigkeit besteht darin, dass bei einer Reduzierung der DrehUngleichförmigkeit der Erzeugung von Schwingungen in dem Scrollverdichter vorgebeugt werden kann. Bei Verwendung des Scrollverdichters in einem Pkw kann der Eintrag von Schwingungen in das Fahrzeug dadurch vermindert oder reduziert werden.
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Um den Betriebszustand des Scrollverdichters noch gründlicher zu optimieren, kann die Drehzahl der Antriebswelle 23 auch dadurch variiert werden, dass die Bestromung des die Antriebswelle 23 antreibenden Motors, also die Bestromung des Stators 25 gesteuert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der durch den Drehzahlsensor 123 ermittelten Drehzahl bzw. Drehungleichförmigkeit. Sinkende Drehzahlen können durch eine Erhöhung des Antriebsstroms für den Stator 25 kompensiert werden und umgekehrt. Die Steuerung des elektrischen Motors mit dem Stator 25 kann auch in Kombination mit der Steuerung der Anpresskraft erfolgen.
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15 zeigt eine Modifikation des Scrollverdichters gemäß 14. Zusätzlich zu dem Drehzahlsensor 123 ist ein Hochdrucksensor 124 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, den in der Verdichtereinheit 20 herrschenden Druck zu messen. Der Hochdrucksensor 124 ist unmittelbar neben dem Heißgasventil 26 angeordnet, um den Druck des maximal verdichteten Fluids in der Verdichtereinheit 20 zu messen.
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Die Kombination des Hochdrucksensors 124 mit dem Drehzahlsensor 123 und/oder dem Kraftsensor 121, und die Möglichkeit der Steuerung der Anpresskraft und/oder der Drehzahl der Antriebswelle 23 ermöglicht eine Vielzahl an Steuerungsszenarien, mit denen bezüglich verschiedener Aspekte der Betrieb des Scrollverdichters optimiert werden kann.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist beispielsweise eine verbesserte Kompensation der Drehungleichförmigkeit möglich. Wird die Drehungleichförmigkeit durch die Erfassung des Drehzahlsensors 123 festgestellt, kann dem Phänomen in der Weise entgegengewirkt werden, dass das Drehfeld, welches die Antriebswelle 23 in Rotation versetzt, geschwächt wird, sobald beispielsweise die Verdichtung erfolgt ist und die Drehmomentlast an der Antriebswelle 23 kurzzeitig bis zum nächsten Druckmaximum abnimmt. Dies wird durch eine entsprechende Steuerung des Antriebsstroms für den Stator 25 bewerkstelligt.
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Der Hochdrucksensor 124 ist, bezogen auf die Strömungsrichtung des zu verdichtenden Fluids, vor dem Heißgasventil 26 angeordnet und liefert ein Drucksignal. Dieses Drucksignal kann genutzt werden, um nach dem Öffnen des Heißgasventils 26 dem sprunghaften Anstieg der Antriebswellen-Drehzahl infolge gleichbleibender elektrischer Antriebsleistung bei reduziertem mechanischem Widerstand in der Verdichtereinheit 20 gegenzusteuern. Damit können aktiv Drehstöße reduziert werden, die bei nicht gesteuertem Betrieb des Scrollverdichters auftreten. Die dazu verwendete Steuerung kann insbesondere als selbstlernender Regler mit kombinierter Feedback/Feed Forward-Regelung ausgeführt sein.
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Der Zusammenhang, wie sich das Drehfeld in Abhängigkeit zu dem Kompressionsprozess zu entwickeln hat, kann ebenfalls mittels eines entsprechenden Steuerkreises kontrolliert werden, der in einem eigenen Steuergerät oder in einer vorhandenen Fahrzeugintelligenz vorhanden sein kann.
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Der Drehzahlsensor 123 lässt sich darüber hinaus für weitergehende Steuerungsprozesse in dem Scrollverdichter nutzen. Beispielsweise kann die Bestromung des die Antriebswelle 23 antreibenden elektrischen Motors unterbrochen werden, wenn die Drehzahl einen voreingestellten Grenzwert überschreitet. Ebenso kann eine Abschaltung des Scrollverdichters eingestellt werden, wenn der Hochdrucksensor 124 einen Druckwert in der Verdichtereinheit 20 misst, der oberhalb eines voreingestellten Hochdruckgrenzwertes liegt. Damit können Beschädigungen des Scrollverdichters wirksam unterdrückt werden.
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Im Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungen kann zudem die Anpresskraft in Abhängigkeit des Drehwinkels gesteuert werden. Als Eingangsgröße der Steuerung kann zudem der von dem Hochdrucksensor 124 ermittelte Druckwert vor dem Heißgasventil 26 genutzt werden. Je nach Druckverlauf während eines Arbeitsspiels im Ablauf einer Umdrehung des Rotorspiralenelements 22 kann die Anpresskraft gesteuert bzw. nachgeregelt werden. Anhand eines vorzeitig abfallenden Hochdrucks lässt sich eine innere Leckage infolge zu niedriger Anpresskraft detektieren und schon beim nächsten Arbeitsspiel vermeiden.
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Weiterhin gibt es Betriebsbedingungen, bei denen der Scrollverdichter hoher ungewollter Last ausgesetzt ist. Hierzu gehört beispielsweise das Szenario, dass sich das Fluid kondensiert und im Scrollverdichter sammelt, wenn beispielsweise der Scrollverdichter einer kalten Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Der Scrollverdichter steht in diesem Fall voll von flüssigem Fluid. Wird der Scrollverdichter unter diesen Bedingungen gestartet, indem der Stator 25 bestromt wird, kann es passieren, dass der Scrollverdichter das flüssige Fluid nicht verdrängen kann und daher nicht anläuft.
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In dieser Situation kann mit dem Scrollverdichter gemäß der vorliegenden Ausführungsform mittels des Aktors 120 das Rotorspiralenelement 22 gezielt in Richtung des Ansaugbereichs 30 bewegt werden und so eine gewollte interne Leckage in der Verdichtereinheit 20 erzeugt werden. Dies ermöglicht einen Start des Scrollverdichters. Sobald der Scrollverdichter angelaufen ist, kann das Rotorspiralenelement 22 mittels des Aktors 120 wieder in dichten axialen Eingriff mit dem Statorspiralenelement 21 gebracht werden und der Verdichtungsbetrieb wieder aufgenommen werden. Die Wiederaufbringung der Anpresskraft kann dabei zeit- oder druckgesteuert erfolgen.
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Mit den vorstehenden Maßnahmen kann einerseits ein Anlaufen des Scrollverdichters auch bei einem unvorteilhaften Aggregatszustand des Fluids sichergestellt werden, zudem die maximale Stromaufnahme des Scrollverdichters gesenkt werden, und die Belastung für die Materialien reduziert und damit die Lebensdauer des Scrollverdichters erhöht werden.
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16 zeigt eine Modifikation des Scrollverdichters aus 15. Es ist zusätzlich ein Temperatursensor 125 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Fluids in dem Hochdruckbereich zu messen. Vorzugsweise ist der Temperatursensor 125 in unmittelbarer Umgebung des Ausgangs des Heißgasventils 26 angebracht.
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Bei Verwendung des Temperatursensors 125 kann unter Berücksichtigung entsprechender Stoffdaten, die auf einem Steuergerät hinterlegt sind, der Aggregatszustand des Fluids in dem Hochdruckbereich 40 bestimmt werden. Auf diese Weise kann bestimmt werden, wann flüssiges Fluid in der Verdichtereinheit 20 bzw. dem daran angrenzenden Hochdruckbereich 40 vorliegt. Entsprechend kann die Steuerung des unter Bezugnahme auf 15 beschriebenen Anlaufverhaltens des Scrollverdichters noch zuverlässiger gesteuert werden.
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Der Temperatursensor 125 lässt sich natürlich auch als weitere Sicherheitseinrichtung heranziehen. Bei Kenntnis der maximalen Temperatur des zu verdichtenden Fluids, die unmittelbar nach dem Ausgang der Verdichtereinheit 20 auftritt, kann eine Abschaltung des Scrollverdichters bei Erreichen einer voreingestellten Maximaltemperatur vorgesehen sein.
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Außerdem kann durch die Möglichkeit, die Antriebswelle 23 axial in Richtung des Elektronikgehäuses zu schieben und somit eine gezielte Leckage in axialer Richtung in der Verdichtereinheit 20 herbeizuführen, dem heißen Fluid in der Verdichtereinheit 20 durch die axiale Leckage schlagartig eine große Menge an kaltem Sauggas zugeführt werden. Damit kann ein Schaden, der zum Komplettausfall des Scrollverdichters führen kann, vermieden werden.
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Die oben beschriebenen Steuerungsmaßnahmen können miteinander in geeigneter Weise kombiniert werden, um die Steuerung des Scrollverdichters optimal an gegebene Bedingungen anzupassen. Da die Wirkungsweise der Scrollverdichter für die Anwendungen im Automobilbereich und in der stationären Technik prinzipiell gleich sind, könnten alle hier beschriebenen Merkmale sowohl in einem Scrollverdichter für Pkws angewendet werden, als auch auf die stationäre Technik übertragen werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind hinsichtlich der beschriebenen Merkmale untereinander kombinierbar. Insbesondere können die Modifikationen des Scrollverdichters gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, die in den 9 bis 16 gezeigt sind, auch auf den Scrollverdichter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gegendruckkammer
- 20
- Verdichtereinheit
- 21
- Statorspiralenelement
- 22
- Rotorspiralenelement
- 21a, 22a
- Bodenplatte
- 21b, 22b
- Spiralwand
- 23
- Antriebswelle
- 23a-c
- Lager
- 24
- Rotor
- 25
- Stator
- 26
- Heißgasventil
- 27
- Verdichterzuleitung
- 30
- Ansaugbereich
- 40
- Hochdruckbereich
- 41
- Hochdruckkammer
- 42
- Ölabscheidungskammer
- 43
- Überströmkanal
- 44
- Tauchrohr
- 50
- Gehäuse
- 51
- Fluideinlass
- 52
- Fluidauslass
- 60
- Ölrückführung
- 61
- Ölrückführungs-Aktorelement
- 62
- Füllstandsensor
- 70
- Elektronikgehäuse
- 101
- erstes Aktorelement
- 101a
- Mischventil
- 102
- zweites Aktorelement
- 103
- Saugdruckkanal
- 104
- Hochdruckkanal
- 105
- Mischkammer
- 110
- Drucksensor
- 111
- Kraftsensor
- 111a
- Kraftsensorelektronik
- 112
- Gleitlager
- 113
- Anschlag
- 120
- Aktor
- 120a
- Aktorelektronik
- 121
- Kraftsensor
- 121a
- Kraftsensorelektronik
- 122
- Getriebe
- 123
- Drehzahlsensor
- 123a
- Drehzahlsensorelektronik
- 124
- Hochdrucksensor
- 125
- Temperatursensor
- 130
- Spule
- Z
- Zylinderachse
