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Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter als eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels. Die Vorrichtung weist einen unbeweglichen Stator mit einer Grundplatte und einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung sowie mindestens einen Auslass und einen beweglichen Orbiter mit einer Grundplatte und einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung auf. Die Grundplatten sind derart zueinander angeordnet, dass die Wandung des Stators und die Wandung des Orbiters ineinander greifen und geschlossene Arbeitsräume ausgebildet sind. In Reaktion auf eine Bewegung des Orbiters werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume verändert.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit dem Spiralverdichter.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf, auch als Kältemittelverdichter bezeichnet, werden unabhängig vom Kältemittel oft als Kolbenverdichter mit variablem Hubvolumen oder als Spiralverdichter ausgebildet. Die Verdichter werden dabei entweder über eine Riemenscheibe oder elektrisch angetrieben.
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Der Verdichtungsmechanismus eines Spiralverdichters ist aus einem unbeweglichen, fest stehenden Stator mit einer sich von einer Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung sowie einem beweglichen Orbiter mit einer sich von einer Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung ausgebildet. Die Grundplatten sind derart zueinander angeordnet, dass die Wandung des Stators und die Wandung des Orbiters ineinander greifen. Der Stator und der Orbiter wirken zusammen. Dabei wird die bewegliche Spirale mittels eines Exzenterantriebs auf einer kreisförmigen Bahn derart bewegt, dass sich die spiralförmigen Wandungen an mehreren Stellen berühren und zwischen den Wandungen und den Grundplatten mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume ausgebildet sind. Die Volumina benachbart angeordneter Arbeitsräume sind unterschiedlich groß. Infolge der Bewegung des Orbiters relativ zum Stator werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume derart verändert, dass die Volumina der Arbeitsräume zur Mitte der spiralförmigen Wandungen hin zunehmend kleiner werden und ein innerhalb der Arbeitsräume eingeschlossenes gasförmiges Fluid verdichtet wird. Das derart verdichtete Fluid wird durch mindestens einen Auslass aus dem Verdichtungsmechanismus ausgelassen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Stator beziehungsweise den Orbiter, welche auch kurz als unbewegliche oder feste Spirale beziehungsweise als bewegliche Spirale bezeichnet werden, unter Berücksichtigung des mindestens einen Auslasses, insbesondere der Anordnung sowie der Größe des Auslasses, derart anzupassen, ein Totvolumen bei der Verdichtung zu minimieren.
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Auch in der
US 2003 0108444 A1 wird ein Spiralverdichter mit einem Stator und einem Orbiter jeweils mit einer spiralförmigen Wandung beschrieben. Die Ausbildung der jeweils eine innere und eine äußere durch eine Evolventenkurve definierte Wandfläche aufweisenden Wandungen zielt auf die Verminderung des Abstandes zwischen den beiden spiralförmigen Wandungen ab.
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Die herkömmlichen Spiralverdichter, insbesondere die spiralförmigen Wandungen von Stator und Orbiter, sind derart ausgebildet, dass am Ende des Vorgangs der Verdichtung des gasförmigen Fluids ein bestimmter Arbeitsraum, auch als Kompressionskammer oder Zwischenraum bezeichnet, derart ausgebildet ist, dass der Druck des Fluids innerhalb des Zwischenraums während der Verdichtung unter bestimmten Bedingungen in Bezug zum Hochdruck im System oder auch zwischen zwei Endkammern signifikant überhöht sein kann. Der stark erhöhte Druck des Fluids kann hörbare sowie spürbare Schwingungen beziehungsweise Vibrationen bewirken und damit ein deutliches Verschlechtern des Schwingungsverhaltens und Geräuschverhaltens, kurz als NVH-Verhalten für englisch „Noise, Vibration, Harshness“, hervorrufen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere der Weiterentwicklung eines Spiralverdichters, mit welchem der Aufbau eines Überdrucks innerhalb des Zwischenraums im Vergleich zum Hochdruck des Systems vermindert oder gegebenenfalls ganz vermieden wird. Zudem sollte insbesondere bei nicht symmetrischen Spiralgeometrien, das heißt speziell bei Geometrien mit unterschiedlichen Umschlingungswinkeln der Verdichtungspfade, ein möglichst gleichmäßig verlaufender Druckausgleich zwischen den zwei Endkammern der beiden Verdichtungspfade ermöglicht beziehungsweise verbessert werden, auch um eine Beschleunigung des Orbiters zu vermeiden. Damit sollen die vom Verdichter erzeugten Vibrationen minimiert beziehungsweise vermieden und folglich das NVH-Verhalten des Verdichters verbessert werden. Die Vorrichtung soll konstruktiv einfach realisierbar sein, um die Kosten bei der Herstellung und der Wartung zu minimieren.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Spiralverdichter als eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, gelöst. Die Vorrichtung weist einen unbeweglichen Stator mit einer Grundplatte und einer sich von der Grundplatte des Stators aus erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung sowie mindestens einen Auslass und einen beweglichen Orbiter mit einer Grundplatte und einer sich von der Grundplatte des Orbiters aus erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung auf. Die Grundplatten sind dabei derart zueinander angeordnet, dass die Wandung des Stators und die Wandung des Orbiters ineinander greifen und geschlossene Arbeitsräume ausgebildet sind. In Reaktion auf eine Bewegung, insbesondere eine Rotationsbewegung, des Orbiters werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume verändert.
Die spiralförmigen Wandungen sind derart konfiguriert, dass im Bereich des mindestens einen Auslasses eine erste Endkammer und eine zweite Endkammer jeweils eines Verdichtungspfades sowie an inneren Enden der Wandungen abhängig von einem Rotationswinkel des Orbiters ein zwischen den Endkammern angeordneter Zwischenraum ausgebildet sind.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist mindestens eine der spiralförmigen Wandungen im Bereich des inneren Endes derart ausgebildet, dass zwischen den Wandungen ein Spalt als Strömungspfad vom Zwischenraum zu mindestens einer Endkammer geöffnet ist. Dabei ist ein Öffnungsgrad des Strömungspfades vom Rotationswinkel des Orbiters abhängig.
Als Öffnungsgrad eines Strömungspfades wird nachfolgend ein Verhältnis des aktuellen Strömungsquerschnitts zum maximal möglichen Strömungsquerschnitt als freie Durchströmfläche für das Fluid verstanden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters die Wandung des Stators mit dem inneren Ende an der Wandung des Orbiters und die Wandung des Orbiters mit dem inneren Ende an der Wandung des Stators den Zwischenraum abdichtend, aneinander anliegend angeordnet.
Zwischen den Wandungen von Stator und Orbiter können abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters ein Spalt als Strömungspfad vom Zwischenraum zur ersten Endkammer beziehungsweise ein Spalt als Strömungspfad vom Zwischenraum zur zweiten Endkammer ausgebildet sein. Dabei sind auch die Öffnungsgrade der Strömungspfade jeweils vom Rotationswinkel des Orbiters abhängig.
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Des Weiteren kann zwischen den Wandungen von Stator und Orbiter abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters ein Spalt als Strömungspfad von der ersten Endkammer zur zweiten Endkammer ausgebildet sein. Dabei ist auch der Öffnungsgrad des Strömungspfades zwischen den Endkammern vom Rotationswinkel des Orbiters abhängig.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Wandung im Bereich des inneren Endes zwischen zwei Abschnitten mit einer im Vergleich zu einem Spiralverdichter aus dem Stand der Technik geringeren Wandstärke, ein Volumen des Zwischenraums vergrößernd ausgebildet.
Die mindestens eine Wandung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Wandstärke der Wandung von einem ersten Abschnitt in Richtung des zweiten Abschnitts verlaufend stetig geringer und im Bereich des zweiten Abschnitts auf den Ausgangswert am zweiten Abschnitt vergrößert wird. Dabei ist eine zum Zentrum des Orbiters weisende Seite der Wandung im Vergleich zu einem Spiralverdichter aus dem Stand der Technik radial nach außen versetzt ausgebildet.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Wandung eine über eine Höhe der Wandung konstante Wandstärke und damit eine konstante Kontur auf.
Die Höhe der Wandung stellt dabei eine Ausdehnung der Wandung in einer axialen Richtung, das heißt in Richtung der Rotationsachse des Orbiters dar. Damit ist die Kontur der Wandung vorteilhaft im Bereich einer mit der Grundplatte verbundenen ersten Stirnseite und einer in axialer Richtung sowie distal zur Grundplatte hin ausgerichteten zweiten, freien Stirnseite identisch sowie über die gesamte Höhe einheitlich und konstant.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die spiralförmige Wandung des Orbiters und/oder die spiralförmige Wandung des Stators jeweils im Bereich des inneren Endes derart ausgebildet ist, dass ein Spalt zwischen der Wandung des Stators und der Wandung des Orbiters als Strömungspfad vom Zwischenraum zur mindestens einen Endkammer geöffnet ist.
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Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, mit einem vorgenannten erfindungsgemäßen Spiralverdichter gelöst.
Nach der Konzeption der Erfindung wird bei einer Anordnung von Stator und Orbiter in einem bestimmten Bereich eines Rotationswinkels des Orbiters ein Spalt zwischen den spiralförmigen Wandungen des Stators und des Orbiters als Strömungspfad von einem Zwischenraum zu mindestens einer Endkammer eines Verdichtungspfades geöffnet. Dabei ist der Öffnungsgrad des Strömungspfades vom Rotationswinkel des Orbiters abhängig. Der Zwischenraum und damit auch ein möglicher Spalt zwischen den Wandungen sind bei einer Anordnung von Stator und Orbiter in einem Rotationswinkel des Orbiters von 0° geschlossen.
Bei der Anordnung von Stator und Orbiter in einem Rotationswinkel des Orbiters von 0° ist der Zwischenraum als finale Verdichtungskammer ausschließlich mit dem Auslass des Stators fluidtechnisch verbunden. Dabei ist auch über den Auslass keine Verbindung zu einer Endkammer ausgebildet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Strömungspfad vom Zwischenraum zu der mindestens einen Endkammer im Bereich des Rotationswinkels des Orbiters von größer als 0° bis 60° geöffnet.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Anordnung von Stator und Orbiter in einem Rotationswinkel des Orbiters in einem Bereich um 20° der Spalt zwischen dem Zwischenraum und einer Endkammer geöffnet, wobei der Strömungspfad zwischen dem Zwischenraum und der Endkammer einen Öffnungsgrad von etwa 20 % aufweist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Anordnung von Stator und Orbiter in einem Rotationswinkel des Orbiters in einem Bereich um 30° jeweils zwischen dem Zwischenraum und einer ersten Endkammer sowie zwischen dem Zwischenraum und einer zweiten Endkammer ein offener Spalt ausgebildet. Dabei weist ein Strömungspfad zwischen dem Zwischenraum und einer Endkammer einen Öffnungsgrad von etwa 40 % auf.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei einer Anordnung von Stator und Orbiter in einem Rotationswinkel des Orbiters in einem Bereich um 60° jeweils zwischen dem Zwischenraum und der ersten Endkammer sowie zwischen dem Zwischenraum und der zweiten Endkammer ein Spalt derart ausgebildet wird, dass verdichtetes Fluid zwischen den Endkammern überströmt. Dabei weist der Strömungspfad zwischen den Endkammern vorzugsweise einen Öffnungsgrad von etwa 10 % auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird bei einer Anordnung von Stator und Orbiter in einem Rotationswinkel des Orbiters innerhalb eines Bereichs größer als 30°, insbesondere größer als 60°, der Strömungspfad zwischen den Endkammern stetig geöffnet. Bei einem Rotationswinkel des Orbiters von etwa 115° ist der Strömungspfad zwischen den Endkammern vollständig geöffnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere als Weiterentwicklung eines Spiralverdichters, sowie das Verfahren zum Verdichten des gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, mit dem Spiralverdichter mit integriertem, spezifischen, drehwinkelabhängigen Spalt zwischen den Spiralen weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - jeweils freigegebene Strömungsquerschnittsfläche des Spalts ist derart ausgebildet, dass eine optimale Anpassung des Drucks in den Endkammern gewährleistet wird, dabei wird mit dem variablen inneren Spalt der Abstand der Spiralen in entsprechenden Bereichen im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert, um ein gezieltes Strömen des Fluids zwischen den Endkammern sicherzustellen,
- - Vermindern oder Vermeiden des Aufbaus eines Überdrucks innerhalb des Zwischenraums beziehungsweise gleichmäßig und kontinuierlich verlaufender Druckausgleich zwischen den zwei Endkammern der beiden Verdichtungspfade, insbesondere bei mit unterschiedlich Evolventenwinkeln ausgebildeten Spiralen, wobei die Charakteristik zum Erzielen eines gleichen Drucks verbessert wird - der Druckausgleich zwischen den Endkammern wird abhängig vom Rotationswinkel beziehungsweise der Verdichtungszykluszeit angepasst und gesteuert, dadurch
- - Minimieren oder Vermeiden von Vibrationen sowie einer Beschleunigung der orbitierenden Spirale und Verbessern des NVH-Verhalten des Verdichters,
- - einfache und kostengünstige Herstellung der Vorrichtung, beispielsweise bezüglich der Beschichtung der Spirale, insbesondere des Orbiters, und innerhalb eines Verfahrensschritts des Gießens, wobei ein Übergang zwischen der Wandung und der Grundplatte sowie möglicherweise Phasen am inneren Ende der Wandung mit der übrigen Spiralgeometrie ausgebildet werden, sodass weder das Werkzeug gewechselt werden muss noch weitere Bearbeitungsschritte nötig sind, damit besteht zum Beispiel auch kein Risiko durch Auftreten scharfer Kanten, welche bei einer separaten Fertigung eines Einschnittes auftreten könnten.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1a und 1b: einen Spiralverdichter als eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids in einer seitlichen Schnittdarstellung durch einen Verdichtungsmechanismus sowie eine Detailansicht einer Draufsicht des Verdichtungsmechanismus,
- 2a bis 2c: eine spiralförmige Wandung des Verdichtungsmechanismus in einer Draufsicht sowie jeweils eine Detailansicht eines inneren Endes der spiralförmigen Wandung,
- 3a bis 3h: Spalte zwischen den inneren Enden der spiralförmigen Wandungen des Verdichtungsmechanismus abhängig von einem Rotationswinkel eines Orbiters in Bezug auf einen Stator und Vergleich einer herkömmlichen Wandung mit einer erfindungsgemäßen Wandung jeweils in einer Draufsicht sowie 4a: ein Diagramm zum Öffnungsgrad eines Strömungspfades zwischen zwei Endkammern abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters in Bezug auf den Stator sowie
- 4b: ein Diagramm zum Öffnungsgrad eines Strömungspfades zwischen einem Zwischenraum und einer Endkammer abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters in Bezug auf den Stator.
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In 1a ist ein Spiralverdichter 1 als eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids in einer seitlichen Schnittdarstellung durch einen Verdichtungsmechanismus gezeigt.
Der Spiralverdichter 1 weist ein Gehäuse 2, einen unbeweglichen, fest stehenden Stator 3 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 3a und einer sich von einer Seite der Grundplatte 3a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 3b sowie einen beweglichen Orbiter 4 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 4a und einer sich von der Grundplatte 4a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 4b auf. Stator 3 und Orbiter 4 wirken zusammen und sind insbesondere mit den Grundplatten 3a, 4a derart zueinander angeordnet, dass die Wandung 3b des Stators 3 und die Wandung 4b des Orbiters 4 ineinander greifen.
Der Orbiter 4, auch als bewegliche Spirale 4 bezeichnet, wird mittels eines Exzenterantriebs auf einer kreisförmigen Bahn und relativ zum Stator 3, auch als feste Spirale 3 bezeichnet, bewegt. Die spiralförmige Wandung 4b kreist um die stationäre spiralförmige Wandung 3b. Bei der relativen Bewegung der Spiralen 3, 4 zueinander berühren sich die Wandungen 3b, 4b an mehreren Stellen und bilden zwischen den Wandungen 3b, 4b und den Grundplatten 3a, 4a mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume 5, 5-0, 5-1, 5-2 aus, wobei benachbart angeordnete Arbeitsräume 5, 5-0, 5-1, 5-2 unterschiedlich große Volumina begrenzen.
In Reaktion auf die Bewegung des Orbiters 4 in Bezug auf den Stator 3 werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume 5, 5-0, 5-1, 5-2 verändert. Durch die gegenläufige Bewegung der zwei ineinander verschachtelten, spiralförmigen Wandungen 3b, 4b werden die Arbeitsräume 5, 5-0, 5-1, 5-2 verkleinert. Die Volumina der zur Mitte der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b, welche auch als Spiralwandungen bezeichnet werden, hin angeordneten Arbeitsräume 5, 5-0, 5-1, 5-2 werden kleiner. Dabei wird ein innerhalb der Arbeitsräume eingeschlossenes gasförmiges Fluid verdichtet und jeweils aus einer ersten Endkammer 5-1 eines ersten Verdichtungspfades des Spiralverdichters 1 sowie aus einer zweiten Endkammer 5-2 eines zweiten Verdichtungspfades des Spiralverdichters 1 durch einen Auslass 6 aus dem Verdichtungsmechanismus ausgelassen. Das zu verdichtende gasförmige Fluid, insbesondere ein Kältemittel, wird angesaugt, innerhalb des Verdichtungsmechanismus verdichtet und über einen Auslass ausgestoßen.
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Der nicht dargestellte Exzenterantrieb weist eine Antriebswelle, welche um eine Rotationsachse rotiert und über Lager am Gehäuse 2 abgestützt ist, auf. Der Orbiter 4 ist über ein Zwischenelement mit der Antriebswelle exzentrisch verbunden, das heißt die Achsen des Orbiters 4 und der Antriebswelle sind versetzt zueinander angeordnet. Der Orbiter 4 ist über ein weiteres Lager auf dem Zwischenelement abgestützt.
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Aus 1b geht eine Detailansicht A einer Draufsicht des Verdichtungsmechanismus aus 1a im Bereich des Zwischenraums 5-0, der Endkammern 5-1, 5-2 sowie des Auslasses 6 hervor. In den 2a und 2b sind die spiralförmige Wandung 4b des Orbiters 4 als ein Einzelelement in einer schematischen Draufsicht sowie eine Detailansicht B eines inneren Endes 4c der spiralförmigen Wandung 4b gezeigt. Aus 2c geht ein inneres Ende 4c einer Ausführungsform einer spiralförmigen Wandung 4b der beweglichen Spirale 4 hervor. Der Auslass 6 ist als eine in der Grundplatte 3a des Stators 3 vorgesehene und verschließbare Durchgangsöffnung ausgebildet und damit ebenso wie die Wandung 3b des Stators 3 sowie relativ zur Wandung 3b unbeweglich.
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Infolge der Bewegung des Orbiters 4 auf der kreisförmigen Bahn und relativ zum Stator 3 kreist die spiralförmige Wandung 4b um die stationäre spiralförmige Wandung 3b. Die Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 sind sich gemäß 1b jeweils im Bereich von inneren Enden 3c, 4c an zueinander ausgerichteten Innenseiten berührend angeordnet. Dabei liegen die Wandung 3b der festen Spirale 3 mit dem inneren Ende 3c an der Wandung 4b der beweglichen Spirale 4 und die Wandung 4b der beweglichen Spirale 4 mit dem inneren Ende 4c an der Wandung 3b der festen Spirale 3 den Zwischenraum 5-0 abdichtend aneinander an.
Der Zwischenraum 5-0 wird folglich einerseits durch die Wandung 3b des Stators 3 und andererseits durch die Wandung 4b des Orbiters 4 begrenzt. Die Wandungen 3b, 4b sind sich an zwei Bereichen des inneren Endes 4c der Wandung 4b berührend angeordnet.
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Im Bereich des inneren Endes 4c der Wandung 4b des Orbiters 4 ist die Wandung 4b zwischen zwei Abschnitten 7, 8 im Vergleich zu einer Wandung 4b' eines Orbiters aus dem Stand der Technik mit einer geringeren Wandstärke ausgebildet. Dabei nimmt die Differenz der Wandstärken der Wandungen 4b, 4b` ausgehend vom ersten Abschnitt 7 in Richtung des zweiten Abschnitts 8 hin allmählich zu und im Bereich des zweiten Abschnitts 8, insbesondere im Vergleich zum allmählichen Anstieg, sehr stark ab. Zwischen den Abschnitten 7, 8 weicht die Kontur der Wandung 4b des Orbiters 4 von der Wandung 4b' eines herkömmlichen Orbiters ab. Ansonsten sind die Konturen der Wandungen 4b, 4b' vorzugsweise identisch ausgebildet.
Die Anordnung der Abschnitte 7, 8 der Wandung 4b ist jeweils derart festgelegt, dass die Effizienz des Verdichtungsvorgangs des Fluids unverändert bleibt. Dabei wird basierend auf einer Simulation der Bewegung des Orbiters 4 unter Berücksichtigung des am Stator 3 ausgebildeten Auslasses 6, insbesondere unter Berücksichtigung der Lage und der Größe des Auslasses 6, eine Dichtlinie zwischen den Wandungen 3b, 4b der beiden Spiralen 3, 4 derart bestimmt, dass der Zwischenraum 5-0 als finale Verdichtungskammer optimal abgedichtet ist, was für eine hohe Effizienz des Verdichtungsvorgangs des Fluids insbesondere bei hohen Hochdrücken erforderlich ist. Insbesondere der zweite Abschnitt 8 wird exakt angeordnet, um einen Effizienzverlust der Verdichtung zu vermeiden.
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Der Radius der Innenseite der Wandung 4b des erfindungsgemäßen Orbiters 4 ist größer als der Radius der Innenseite der Wandung 4b' des aus dem Stand der Technik bekannten Orbiters, sodass das Volumen des Zwischenraums 5-0 des Verdichtungsmechanismus des erfindungsgemäßen Spiralverdichters 1 größer ist als das Volumen eines Zwischenraums des Verdichtungsmechanismus eines herkömmlichen Spiralverdichters. Die das Volumen der Zwischenräume 5-0 ebenfalls begrenzenden Grundplatten 3a, 4a der Verdichtungsmechanismen sind jeweils identisch.
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Der Bereich des inneren Endes 4c der Wandung 4b des Orbiters 4, speziell die Innenseite des inneren Endes 4c, wird vorzugsweise mit mehr als zwei Radien, mit frei definierten mathematischen Funktionen oder mittels Stützstellen als sogenannter „Spline“ definiert und modifiziert.
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Die Konturen der Wandung 4b des Orbiters 4 sind im Bereich einer mit der Grundplatte 4a verbundenen ersten Stirnseite und einer in axialer Richtung sowie distal zur Grundplatte 4a hin ausgerichteten zweiten, freien Stirnseite identisch. Die jeweils in einer senkrecht zur axialen Richtung aufgespannten Ebene angeordneten Stirnseiten der Wandung 4b sind folglich gleich und gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen den Stirnseiten wird auch als Höhe der Wandung 4b bezeichnet. Als Höhe der Wandung 4b wird demzufolge die Ausdehnung der Wandung in axialer Richtung angesehen. Die Kontur der Wandung 4b ist über die gesamte Höhe der Wandung 4b konstant.
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Die sich von der ersten Stirnseite, welche zur Grundplatte 4a des Orbiters 4 hin ausgerichtet ist, bis zur zweiten Stirnseite, welche zur Grundplatte 3a des Stators 3 hin ausgerichtet ist, erstreckende Wandung 4b des Orbiters 4 kann in einem gemeinsamen Verfahren mit der übrigen Spiralgeometrie oder auch innerhalb eines schrittweisen Verfahrens hergestellt werden. So kann die Herstellung der beweglichen Spirale 4 mittels eines Gießwerkzeugs oder eines Schneidwerkzeugs und Ausformen der Grundplatte 4a mit der Wandung 4b in einem Schritt oder innerhalb eines zweistufigen beziehungsweise mehrstufigen Verfahrens in getrennten Schritten erfolgen. Ebenso kann die Kontur der Wandung 4b durch hochpräzise Drehprozesse, Fräsprozesse oder kombinierte Dreh-/Fräs-Prozesse sowie während eines Grobschliffs oder eines Feinschliffs der Spirale 4 gefertigt werden.
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Die Wandung 4b des Orbiters 4 des erfindungsgemäßen Spiralverdichters 1 ist gegenüber einem herkömmlichen Spiralverdichter derart modifiziert, dass in bestimmten Anordnungen der Spiralen 3, 4 zueinander, insbesondere in bestimmten Bereichen eines Rotationswinkels, in welchen herkömmlich ein geschlossener Zwischenraum 5-0 ausgebildet ist, ein Spalt zwischen den Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 sichergestellt ist, dessen Öffnungsgrad vom Rotationswinkel des Orbiters 4 abhängig ist. Der damit vom Rotationswinkel des Orbiters 4 abhängige Öffnungsgrad eines Strömungspfades durch den Spalt kann jeweils optimal auf die entsprechende Anwendung, insbesondere die herrschenden Druckniveaus, die Umschlingungswinkel der Verdichtungspfade sowie Öffnungsgeometrien innerhalb der festen Spirale 3, angepasst werden, speziell um einen Überdruck des verdichteten Fluids innerhalb des Zwischenraums 5-0 zu vermeiden oder zu minimieren beziehungsweise einen möglichst gleichmäßig verlaufenden Druckausgleich zwischen den beiden Endkammern 5-1, 5-2 der Verdichtungspfade des Spiralverdichters 1 sicherzustellen, auch um eine Beschleunigung des Orbiters 4 zu vermeiden. Mittels des variablen Öffnungsgrades des Spaltes wird folglich der Raum zwischen den Spiralen 3, 4 abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters 4 verändert, insbesondere vergrößert, um eine Strömung zum Ausgleichen der Drücke des Fluids innerhalb der Endkammern 5-1, 5-2 und damit eine Ausgleichsströmung zwischen den beiden Endkammern 5-1, 5-2 zu gewährleisten. Der rotationswinkelabhängige variable Öffnungsgrad des Spaltes ergibt sich aus den Konturen der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4.
Mit dem Ziel des Vermeidens von Druckspitzen durch eingeschlossenes Fluid sowie des Vermeidens von sprunghaften Druckausgleichsvorgängen wird die rotationswinkelabhängige Kontur des Orbiters 4, beispielsweise mit Hilfe von Strömungssimulationsrechnungen, auch als CFD-Simulation bezeichnet, berechnet. Als Startpunkt der Berechnung werden unveränderte Konturen der Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 genutzt. Während der Berechnungen wird im Vergleich zu einer unveränderten Kontur der Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 mindestens eine der Konturen der Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 derart verändert, dass bei der orbitierenden Bewegung des Orbiters 4 größere Spalte zwischen den Wandungen 3b, 4b der Spiralen 3, 4 ausgebildet sind.
Die Ausgestaltung der berechneten Kontur der Wandung 3b, 4b wird anschließend unter Berücksichtigung von Randbedingungen der Fertigung, wie minimal herstellbare Radien und mögliche Ausführung von Schneidpfaden des Werkzeugs, angepasst.
Die finale Ausbildung der Kontur der Wandung 3b, 4b, beispielsweise nach 2c insbesondere des inneren Endes 4c der Wandung 4b des Orbiters 4 mit den unterschiedlichen Radien R1, R2, R3, wird abschließend anhand von experimentellen Versuchen an Verdichtern unter Berücksichtigung der Effizienz des Verdichtungsvorgangs des Fluids und des NVH-Verhaltens des Verdichters festgelegt. Die Kontur der Wandung 4b ist zwischen den zwei Abschnitten 7, 8 im Vergleich zu einer Wandung 4b' eines Orbiters aus dem Stand der Technik verändert. Dabei entspricht die Kontur jeweils bis zu den Abschnitten 7, 8 der unveränderten Ursprungskontur UK. Im Bereich des zweiten Abschnittes 8 ist zudem eine Übergangskontur ÜK ausgebildet.
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In den 3a bis 3h sind jeweils offene beziehungsweise geschlossene Spalte zwischen den inneren Enden 3c, 4c der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b des Verdichtungsmechanismus abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters 4 in Bezug auf den Stator 3 und ein Vergleich einer herkömmlichen Wandung 4b' mit einer erfindungsgemäßen Wandung 4b des Orbiters jeweils in einer Draufsicht gezeigt. Aus 4a geht ergänzend ein Diagramm zum Öffnungsgrad eines Strömungspfades zwischen den zwei Endkammern 5-1, 5-2 abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters 4 in Bezug auf den Stator 3 hervor, während in 4b ein Diagramm zum Öffnungsgrad eines Strömungspfades zwischen der Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 abhängig vom Rotationswinkel des Orbiters 4 in Bezug auf den Stator 3 dargestellt ist.
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Bis zu einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in einem Rotationswinkel von 0° nach 3a zeigen die Spiralverdichter 1 mit einer erfindungsgemäßen Wandung 4b und einer herkömmlichen Wandung 4b' identische Verdichtungsverhalten. Dabei sind jeweils sowohl der erste Abschnitt 7 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 des ersten Verdichtungspfades als auch der zweite Abschnitt 8 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der zweiten Endkammer 5-2 des zweiten Verdichtungspfades geschlossen. Die Abschnitte 7, 8 zwischen den Wandungen 3b, 4b, 4b' der Spiralen 3, 4 sind abgedichtet, sodass die Öffnungsgrade der jeweiligen Strömungspfade gemäß der 4a und 4b Null betragen.
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Bei einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in einem Rotationswinkel von 20° nach 3b und der Ausbildung der erfindungsgemäßen Wandung 4b ist im Vergleich zur herkömmlichen Wandung 4b' im Bereich des ersten Abschnitts 7 zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 ein Spalt geöffnet, sodass verdichtetes Fluid aus dem Zwischenraum 5-0 in die erste Endkammer 5-1 überströmt und derart ein Überdruck im Zwischenraum 5-0 reduziert oder vermieden wird. Der Strömungspfad zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 weist gemäß 4b einen Öffnungsgrad von 20 % auf. Bei der Ausbildung der herkömmlichen Wandung 4b' ist der erste Abschnitt 7 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 geschlossen.
Der zweite Abschnitt 8 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der zweiten Endkammer 5-2 ist unabhängig von der Ausbildung der Wandung 4b, 4b' des Orbiters 4 geschlossen, sodass auch die Strömungspfade zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 geschlossen sind. Da bei der Ausbildung der herkömmlichen Wandung 4b' neben dem ersten Abschnitt 7 auch der zweite Abschnitt 8 als Verbindungen zwischen dem Zwischenraum 5-0 und einer der Endkammer 5-1, 5-2 geschlossen ist, ist das Risiko eines hohen Überdrucks innerhalb der Zwischenraum 5-0 sehr groß.
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Bei einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in einem Rotationswinkel von 30° nach 3c und der Ausbildung der erfindungsgemäßen Wandung 4b ist im Vergleich zur herkömmlichen Wandung 4b' sowohl im Bereich des ersten Abschnitts 7 zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 als auch im Bereich des zweiten Abschnitts 8 zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der zweiten Endkammer 5-2 ein Spalt ausgebildet beziehungsweise ein Strömungspfad geöffnet, sodass verdichtetes Fluid aus dem Zwischenraum 5-0 in die Endkammern 5-1, 5-2 überströmt und derart ein Überdruck im Zwischenraum 5-0 weiter reduziert oder vermieden wird. Der Strömungspfad zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 weist gemäß 4b nunmehr einen Öffnungsgrad von 40 % auf. Aufgrund der geringen Öffnungsgrade der Spalte im Bereich der Abschnitte 7, 8 und des Ausströmens des Fluids aus dem Zwischenraum 5-0 jeweils in die Endkammern 5-1, 5-2 aufgrund des höheren Drucks des Fluids innerhalb des Zwischenraums 5-0 strömt kein Fluid zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 selbst, sodass der Öffnungsgrad des Strömungspfades zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 gemäß 4a Null ist.
Bei der Ausbildung der herkömmlichen Wandung 4b' sind sowohl der erste Abschnitt 7 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 als auch der zweite Abschnitt 8 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der zweiten Endkammer 5-2 geschlossen, sodass folglich auch der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 geschlossen ist und zudem das Risiko eines hohen Überdrucks innerhalb des Zwischenraums 5-0 weiterhin sehr groß ist.
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Bei einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in einem Rotationswinkel von 60° nach 3d und der Ausbildung der erfindungsgemäßen Wandung 4b ist im Vergleich zur herkömmlichen Wandung 4b' sowohl im Bereich des ersten Abschnitts 7 zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 als auch im Bereich des zweiten Abschnitts 8 zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der zweiten Endkammer 5-2 ein Spalt derart geöffnet, dass verdichtetes Fluid zwischen Endkammern 5-1, 5-2 überströmt und ein frühzeitiger Druckausgleich in beiden Endkammern 5-1, 5-2 erfolgt. Der Zwischenraum 5-0 ist vollständiger Bestandteil des Strömungspfades zwischen den Endkammern 5-1, 5-2, sodass der Öffnungsgrad zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 gemäß 4b Null ist. Der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 weist gemäß 4a einen Öffnungsgrad von etwa 10 % auf.
Bei der Ausbildung der herkömmlichen Wandung 4b' sind weiterhin sowohl der erste Abschnitt 7 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 als auch der zweite Abschnitt 8 als Verbindung zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der zweiten Endkammer 5-2 geschlossen, sodass folglich auch der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 geschlossen ist. Der Zwischenraum 5-0 ist zudem auf ein minimales Volumen verringert.
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Bei einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in Rotationswinkeln oberhalb von 60° nach den 3e bis 3h, insbesondere bei Rotationswinkeln von etwa 85°, 100°, 105° und 115°, und der Ausbildung der erfindungsgemäßen Wandung 4b wird der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 weiter stetig geöffnet, sodass der Öffnungsgrad etwa 30 %, 52 %, 80 % und 100 % beträgt. Bei einem Rotationswinkel von 115° ist der Strömungspfad vollständig geöffnet. Der Druckausgleich in beiden Endkammern 5-1, 5-2 erfolgt kontinuierlich und gleichmäßig. Der Öffnungsgrad des Strömungspfades zwischen dem Zwischenraum 5-0 und der ersten Endkammer 5-1 bleibt aufgrund des fehlenden Zwischenraums 5-0 gemäß 4b Null.
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Bei der Ausbildung der herkömmlichen Wandung 4b' und einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in einem Rotationswinkel von etwa 85° nach 3e sind die Abschnitte 7, 8 als Verbindung zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 und folglich auch der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 weiterhin geschlossen. Ein Druckausgleich zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 ist nicht möglich. Erst bei einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in einem Rotationswinkel von etwa 100° nach 3f wird ein Spalt als Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 geöffnet, sodass ein Vorgang des Druckausgleichs zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 beginnt. Der Öffnungsgrad des Strömungspfades beträgt gemäß 4a etwa 5 %. Bei einer Anordnung von Stator 3 und Orbiter 4 in Rotationswinkeln oberhalb von 100° nach den 3g und 3h, insbesondere bei Rotationswinkeln von etwa 105° und 115°, wird der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 weiter geöffnet, sodass der Öffnungsgrad etwa 40 % und 80 % beträgt. Erst bei einem Rotationswinkel von 120° ist der Strömungspfad vollständig geöffnet.
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Beim Vergleich eines Orbiters 4 mit einer erfindungsgemäßen Wandung 4b mit einem Orbiter mit einer herkömmlichen Wandung 4b' ist zusammenfassend festzustellen, dass der Srömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 bei der erfindungsgemäßen Ausbildung bereits bei einem Rotationswinkel im Bereich von 30° bis 40° beginnend gleichmäßig geöffnet wird, sodass ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Druckausgleich zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 erfolgt. Bei einem Orbiter mit herkömmlicher Wandung 4b' wird der Strömungspfad zwischen den Endkammern 5-1, 5-2 erst bei einem Rotationswinkel von etwa 100° geöffnet. Da die Strömungspfade jeweils bei einem Rotationswinkel von etwa 115° bis 120° vollständig geöffnet sind, wird der Strömungspfad beim Orbiter mit herkömmlicher Wandung 4b' abrupt und in kurzer Zeitspanne geöffnet, sodass auch der Druckausgleich nicht gleichmäßig beziehungsweise kontinuierlich erfolgen kann.
Zudem wird durch die Öffnung eines Strömungspfades zwischen dem Zwischenraum 5-0 und einer Endkammer 5-1 beim Orbiter 4 mit einer erfindungsgemäßen Wandung 4b ein Überdruck innerhalb des Zwischenraums 5-0 reduziert beziehungsweise vermieden. Ein derartiger Strömungspfad wird bei einem Orbiter mit herkömmlicher Wandung 4b' nicht geöffnet, sodass auch der innerhalb des Zwischenraums 5-0 auftretende Überdruck nicht abgebaut wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spiralverdichter
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator, feste Spirale
- 3a
- Grundplatte Stator 3
- 3b
- Wandung Stator 3
- 3c
- inneres Ende Wandung 3b
- 4
- Orbiter, bewegliche Spirale
- 4a
- Grundplatte Orbiter 4
- 4b, 4b'
- Wandung Orbiter 4
- 4c
- inneres Ende Wandung 4b
- 5
- Arbeitsraum
- 5-0
- Arbeitsraum, Zwischenraum
- 5-1
- Arbeitsraum, erste Endkammer
- 5-2
- Arbeitsraum, zweite Endkammer
- 6
- Auslass
- 7
- erster Abschnitt inneres Ende 4c Wandung 4b
- 8
- zweiter Abschnitt inneres Ende 4c Wandung 4b
- R1 - R3
- Radius
- UK
- Ursprungskontur
- ÜK
- Übergangskontur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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