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Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren, eine Fahrzeugklimaanlage und ein Fahrzeug.
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Eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art ist aus
DE 10 2017 110 913 B3 bekannt. In
DE 10 2017 110 913 B3 ist ein Scrollverdichter beschrieben, der eine Verdrängerspirale und eine Gegenspirale umfasst. Die Verdrängerspirale greift in die Gegenspirale ein. Durch die orbitierende Verdrängerspirale bilden sich Verdichtungskammern, in denen ein Kühlmittel verdichtet wird. Damit eine Verdichtung des Kühlmittels möglich ist, muss die Verdrängerspirale dicht an der Gegenspirale anliegen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Verdrängerspirale an die Gegenspirale angepresst wird. Dazu ist an der der Gegenspirale abgewandten Seite der Verdrängerspirale eine Gegendruckkammer angeordnet. Eine solche Gegendruckkammer ist auch unter der Bezeichnung Back-Pressure-Raum bekannt. Die Gegendruckkammer bzw. der Back-Pressure-Raum hat die Funktion, einen Druck aufzubauen. Hierfür umfasst die Verdrängerspirale eine Öffnung, welche die Gegendruckkammer bzw. den Back-Pressure-Raum mit einer Verdichtungskammer fluidverbindet. Der Druck im Back-Pressure-Raum beaufschlagt die Verdrängerspirale mit einer Kraft, die die Verdrängerspirale an die Gegenspirale presst, so dass die beiden Spiralen zueinander fluiddicht abgedichtet sind.
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Bei bekannten Scrollverdichtern der eingangs genannten Art muss der Druck in der Gegendruckkammer gerade groß genug sein, um die Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu pressen derart, dass die Verdrängerspirale fluiddicht an der Gegenspirale anliegt. Der Druck sollte jedoch nicht zu groß sein, so dass Reibungskräfte auftreten, die die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale bremsen oder zu Leistungseinbußen führen.
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Das Bereitstellen eines ausreichend hohen Drucks für die Gegendruckkammer um die Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu pressen und dabei möglichst wenig Leistungseinbußen zu verursachen, ist mit konstruktivem Aufwand verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verdrängermaschine anzugeben, bei der das Erzeugen des Drucks zum Anpressen der Verdrängerspirale an die Gegenspirale verbessert ist derart, dass eine einfache und kostengünstige Konstruktion der Verdrängermaschine möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, eine Fahrzeugklimaanlage und ein Fahrzeug anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit Blick auf
- - die Verdrängermaschine durch den Gegenstand des Anspruchs 1,
- - das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 14,
- - die Fahrzeugklimaanlage durch den Gegenstand des Anspruchs 15 und
- - das Fahrzeug durch den Gegenstand des Anspruchs 16
gelöst.
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Konkret wird die Aufgabe durch eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter, mit einer Hochdruckkammer, einer Niederdruckkammer, einer orbitierenden Verdrängerspirale, einer Gegenspirale und einer Gegendruckkammer, die zwischen der Niederdruckkammer und der Verdrängerspirale angeordnet ist, gelöst. Die Verdrängerspirale greift in die Gegenspirale ein derart, dass im Betrieb temporär wenigstens eine erste und eine zweite Verdichtungskammer zur Aufnahme eines Arbeitsmediums gebildet sind und wobei die Verdrängerspirale wenigstens eine Durchgangsöffnung zur Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer aufweist. Die Durchgangsöffnung ist in der Verdrängerspirale angeordnet derart, dass im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale die Durchgangsöffnung temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet ist.
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Die Hochdruckkammer ist der Bereich, in den das verdichtete Arbeitsmedium strömt, bevor es wieder einem Kreislauf, bspw. einem Kühlkreislauf, zugeführt wird.
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Die Niederdruckkammer kann auch als Ansaugraum bezeichnet werden. Aus der Niederdruckkammer strömt das Gas von radial außen zwischen die Gegenspirale und die Verdrängerspirale.
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Unter der orbitierenden Bewegung der Verdrängerspirale ist eine Bewegung auf einer Kreisbahn zu verstehen.
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Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich vorzugsweise um ein Kühlfluid, besonders bevorzugt um ein gasförmiges Kühlfluid, beispielsweise CO2.
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Zwischen der Gegenspirale und der Verdrängerspirale sind wenigstens eine erste Verdichtungskammer und eine zweite Verdichtungskammer angeordnet. In den Verdichtungskammern ist im Betrieb ein Arbeitsmedium bzw. ein Fluid angeordnet.
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Die Verdichtungskammern bilden sich im radial äußeren Bereich. Die Verdichtungskammern wandern in radialer Richtung nach Innen. Während dem Wandern der Verdichtungskammern verkleinert sich das Volumen der Verdichtungskammern. Dadurch erhöht sich der Druck in den Verdichtungskammern bzw. wird das Arbeitsmedium verdichtet. Zu Schluss vereinigen sich die Verdichtungskammern und lösen sich anschließend auf. Dieser Vorgang findet kontinuierlich statt.
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Die Durchgangsöffnung bewegt sich durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale auf einer Kreisbahn. Die Kreisbahn der Durchgangsöffnung überschneidet sich mit der ersten Verdichtungskammer und der zweiten Verdichtungskammern derart, dass die Durchgangsöffnung temporär zumindest abschnittsweise in der ersten und danach in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet ist und eine Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer gebildet ist.
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Anders gesagt überstreicht die Durchgangsöffnung die erste Verdichtungskammer und die zweite Verdichtungskammer derart, dass die Durchgangsöffnung temporär zumindest abschnittsweise in der ersten und danach in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet ist und eine Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer gebildet ist.
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Die Durchgangsöffnung wechselt durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale von der ersten Verdichtungskammer zur zweiten Verdichtungskammer. Dadurch ist die Gegendruckkammer abwechselnd temporär mit der ersten Verdichtungskammer und mit der zweiten Verdichtungskammer fluidverbunden.
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Es ist möglich, dass mehr als zwei Verdichtungsräume zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale gebildet sind und die Durchgangsöffnung in mehr als zwei Verdichtungskammern temporär zumindest abschnittsweise angeordnet ist.
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Die Erfindung ist vorteilhaft, da es durch die temporäre aufeinanderfolgende Anordnung der Durchgangsöffnung in wenigstens zwei verschiedenen Verdichtungskammern möglich ist, in der Gegendruckkammer einen Druck zu erzeugen, um die Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu pressen derart, dass die Reibungskräfte, welche die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale bremsen oder auf sonstige Art und Weise negativ beeinflussen, möglichst gering ausfallen und gleichzeitig die Verdrängerspirale ausreichend fluiddicht an der Gegenspirale angeordnet ist. Die von der Verdrängerspirale auf die Gegenspirale wirkende Kraft wird durch den in der Gegendruckkammer herrschenden Druck bewirkt.
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Weitere Fluidverbindungen, welche die Gegendruckkammer mit einem Druck beaufschlagen und/oder den Druck in der Gegendruckkammer beeinflussen, können so entfallen. Anders gesagt ist die Durchgangsöffnung in der Verdrängerspirale ausreichend, um einen ausreichenden Druck in der Gegendruckkammer zu erzeugen. Dadurch ist eine kompaktere Bauform möglich, da auf Weitere Fluidverbindungen verzichtet werden kann. Ferner werden Zeit und Kosten durch den geringeren Fertigungsaufwand eingespart.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gegenspirale Spiralenabschnitte, wobei die Durchgangsöffnung beim Wechseln von der ersten Verdichtungskammer zur zweiten Verdichtungskammer wenigstens einen Spiralenabschnitt passiert, der zwischen zwei in radialer Richtung aneinander angrenzenden Verdichtungskammern angeordnet ist.
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Unter den Spiralenabschnitten sind die Abschnitte der Gegenspirale oder der Verdrängerspirale zu verstehen, die die erste Verdichtungskammer und die zweite Verdichtungskammer begrenzen.
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Das Passieren der Spiralenabschnitte ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Übergang zwischen den Verdichtungskammern definierbar ist und die Anordnung der Durchgangsöffnung in den zwei Verdichtungskammern zeitlich unmittelbar nacheinander erfolgen kann.
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Der Begriff Passieren bedeutet das Überqueren eines Spiralenabschnitts in radialer Richtung oder in eine Richtung mit einer radialen Richtungskomponente. Der Spiralenabschnitt kann ganz und/oder abschnittsweise überquert werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung in einem Abschnitt des Bodens der Verdrängerspirale angeordnet.
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Es ist vorteilhaft, die Durchgangsöffnung im Boden der Verdrängerspirale anzuordnen, da das Passieren der Spiralenabschnitte durch die Durchgangsöffnung so erleichtert wird. Des Weiteren ist so eine gerade und möglichst kurze Verbindung mit der Gegendruckkammer realisierbar.
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Unter dem Boden ist die Grundplatte zu verstehen, von der ausgehend sich die Spiralenabschnitte orthogonal erstrecken.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Durchgangsöffnung einen kreisförmigen, elliptischen oder eiförmigen Querschnitt aufweist. Das ermöglicht verschiedene vorteilhafte Ausführungen der Durchgangsöffnung, welche die Strömungscharakteristik des Arbeitsmediums beeinflussen. Bspw. ist möglich, dass der Bereich der Durchgangsöffnung, der im Betrieb beim Passieren eines Spiralenabschnitts als erstes freigelegt wird, einen größeren Querschnitt aufweist als ein Bereich, der noch vom Spiralenabschnitt verdeckt ist. Dadurch ist es möglich, noch bevor die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist, eine gute Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer herzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Verdichtungskammer in einem Winkelbereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale von 120° bis 400°, insbesondere von 247° bis 367°, mit der Gegendruckkammer fluidleitend verbunden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Verdichtungskammer in einem Winkelbereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale von 270° bis 550°, insbesondere 376° bis 504°, mit der Gegendruckkammer fluidleitend verbunden.
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Die Winkelbereiche des Drehwinkels, in denen die erste und die zweite Verdichtungskammer mit der Gegendruckkammer fluidverbunden sind, sind vorteilhaft, da jeweils über einen möglichst großen Bereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale eine Fluidverbindung der Verdichtungskammern mit der Gegendruckkammer möglich ist.
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Die Winkelbereiche für die erste und zweite Verdichtungskammer sind derart gewählt, dass die Verdichtungskammern erst dann mit der Gegendruckkammer fluidverbunden sind, wenn der Druck in der ersten und zweiten Verdichtungskammer groß genug ist, um einen ausreichenden Druck in der Gegendruckkammer zu erzeugen und die Verdrängerspirale fluiddicht und mit geringen Leistungseinbußen an die Gegenspirale zu pressen.
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Besonders bevorzugt ist die erste Verdichtungskammer bei einem relativen Volumen von 84% bis 40%, insbesondere von 80% bis 46%, mit der Gegendruckkammer fluidverbunden.
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Weiter besonders bevorzugt ist die zweite Verdichtungskammer bei einem relativen Volumen von 61% bis 19%, insbesondere von 44% bis 24%, mit der Gegendruckkammer fluidverbunden.
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Unter dem relativen Volumen der Verdichtungskammern ist das veränderliche Volumen der Verdichtungskammern zu einem bestimmen Zeitpunkt während einem Verdichtungszyklus der Verdrängermaschine in Relation zum Anfangsvolumen bei einem Drehwinkel von 0° zu verstehen. Je geringer das relative Volumen einer Verdichtungskammer, desto größer ist der Druck in der jeweiligen Verdichtungskammer.
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Unter dem Verdichtungszyklus ist der periodische Prozess zu verstehen, der durch die sich immer neu bildenden Verdichtungskammern charakterisiert ist.
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Die Bereiche der relativen Volumina, bei denen die erste und die zweite Verdichtungskammer mit der Gegendruckkammer fluidverbunden sind, sind vorteilhaft, da es so möglich ist, dass die Verdichtungskammern jeweils erst dann mit der Gegendruckkammer fluidverbunden wird, wenn der Druck in der jeweiligen Verdichtungskammer ausreichend hoch ist, um ein fluiddichtes anpressen der Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung beim Passieren des Spiralenabschnitts beim Wechseln von der ersten zu der zweiten Verdichtungskammer oder umgekehrt, für einen Winkelbereich des Drehwinkels von 5° bis 20° verschlossen.
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Dadurch ist es möglich, die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist möglichst gering zu halten. Genauer ist die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist, so klein, dass die Auswirkungen auf den Druck in der Gegendruckkammer sehr gering sind. Somit hat die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist, keinen Effekt auf den Druck in der Gegendruckkammer bzw. die Anpresskraft auf die Verdrängerspirale und folglich auch keinen Effekt auf die Funktion der Verdrängermaschine.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Durchgangsöffnung eine Steuergeometrie auf, die in der Oberfläche der Verdrängerspirale angeordnet ist, die der Gegenspirale zugewandt ist.
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Die Steuergeometrie begrenzt bspw. mit einem Spiralenabschnitt einen Fluidkanal, der die Durchgangsöffnung mit einer Verdichtungskammer fluidleitend verbindet, bevor die Durchgangsöffnung in der Verdichtungskammer angeordnet ist. Die Steuergeometrie ermöglicht es, dass die Durchgangsöffnung früher bzw. länger mit einer Verdichtungskammer fluidleitend verbunden ist. Dadurch kann die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung von dem Spiralenabschnitt verschlossen ist, verringert werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Steuergeometrie eine Vertiefung und/oder eine Einkerbung aufweist. Dadurch ist die Steuergeometrie mit bekannten Fertigungsmitteln und mit geringem Aufwand einfach herstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Spiralenabschnitte der Gegenspirale eine radial innere Spiralenwand und eine radial äußere Spiralenwand auf, wobei die Steuergeometrie und/oder die Durchgangsöffnung im verschlossen Zustand zwischen den Spiralenwänden angeordnet ist.
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Die Steuergeometrie ist so vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass die erste und die zweite Durchgangsöffnung zu keinem Zeitpunkt des Verdichtungszyklus miteinander fluidverbunden sind. Dadurch wird ein Druckabfall in den Verdichtungskammern verhindert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Verdrängerspirale und/oder die Gegenspirale wenigstens abschnittsweise eine Fase auf. Durch die Fase ist die Breite des Spiralenabschnitts abschnittsweise reduziert. Dadurch ist der Bereich des Drehwinkels, über den sich die Durchgangsöffnung bewegt, um den Spiralenabschnitt zu passieren, reduziert. Die Fase ermöglicht es so, die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist, zu verkürzen.
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Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine offenbart und beansprucht, bei dem die Durchgangsöffnung im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet wird und die jeweilige Verdichtungskammer mit der Gegendruckkammer fluidleitend verbindet.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Fahrzeugklimaanlage mit einer Verdrängermaschine offenbart und beansprucht.
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Als weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine oder einer Fahrzeugklimaanlage offenbart und beansprucht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt einer Gegenspirale und einer Verdrängerspirale eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Verdrängermaschine;
- 2 einen schematischen Schnitt einer Gegenspirale und einer Verdrängerspirale eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Verdrängermaschine während eines Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 0°;
- 3 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß 2 bei einem Drehwinkel von 60°;
- 4 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß 2 bei einem Drehwinkel von 160°;
- 5 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß 2 bei einem Drehwinkel von 300°;
- 6 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß 2 bei einem Drehwinkel von 400°;
- 7 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß 2 bei einem Drehwinkel von 460°;
- 8 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß 2 bei einem Drehwinkel von 560°;
- 9 einen Schnitt durch eine Verdrängerspirale eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Verdrängermaschine;
- 10 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Verdrängermaschine;
- 11 einen weiteren Schnitt durch die Verdrängermaschine gemäß 10.
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1 zeigt eine schematische Ansicht der Anordnung einer Verdrängerspirale 13 und einer Gegenspirale 14 in einer Verdrängermaschine 10.
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Die Verdrängerspirale 13 und die Gegenspirale 14 stehen miteinander in Eingriff. Die Verdrängerspirale 13 und die Gegenspirale 14 weisen Spiralenabschnitte 18 auf, die orthogonal auf einer Grundplatte bzw. einem Boden angeordnet sind. Der Boden bzw. die Grundplatte ist kreisförmig. Die Spiralenabschnitte 18 erstrecken sich von dem Boden bzw. der Grundplatte weg. Im eingebauten Zustand erstrecken sich die Spiralenabschnitte der Verdrängerspirale 13 in Richtung der Gegenspirale 14 und die Spiralenabschnitte 18 der Gegenspirale 14 in Richtung der Verdrängerspirale 13.
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Die Gegenspirale 14 ist fest bzw. unbeweglich in der Verdrängermaschine 10 angeordnet. Die Verdrängerspirale 13 ist derart in der Verdrängermaschine 10 angeordnet, dass eine orbitierende Bewegung in der Gegenspirale 14 möglich ist. Der Aufbau der Verdrängermaschine 10 wird bei der Beschreibung der 10 und 11 näher erläutert. Unter der orbitierenden Bewegung ist eine Bewegung auf einer Kreisbahn zu verstehen.
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Im Bereich des Zentrums bzw. des Mittelpunkts der Gegenspirale ist eine Auslassöffnung 22 angeordnet. Die Auslassöffnung 22 ist außermittig in der Gegenspirale 14 angeordnet.
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Die Positionen der Verdrängerspirale 13 während eines Verdichtungszyklus sind durch den Drehwinkel der orbitierenden Bewegung darstellbar. Unter dem Verdichtungszyklus ist ein Durchlauf bzw. eine Periode des kontinuierlich wiederkehrenden Verdichtungsprozesses zu verstehen. So zeigt 1 einen Zeitpunkt in einem Verdichtungszyklus der Verdrängermaschine 10 bei einem Drehwinkel der Verdrängerspirale 13 von 181°.
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In der Verdrängerspirale 13 ist eine Durchgangsöffnung 17 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 ist im Boden bzw. in der Grundplatte der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 ist mittig zwischen zwei Spiralenabschnitten 18 der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 verläuft orthogonal zur Oberfläche des Bodens. Die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich im eingebauten Zustand zwischen einer der Gegenspirale 14 zugewandten Seite der Grundplatte und einer der Gegenspirale 14 abgewandten Seite der Grundplatte. Die Durchgangsöffnung 17 weist auf beiden Seiten der Grundplatte jeweils eine Öffnung auf, welche die beiden Seiten des Bodens bzw. der Grundplatte miteinander verbinden. Anders gesagt bildet die Durchgangsöffnung 17 einen Durchgang zwischen den beiden Seiten der Grundplatte. Die Durchgangsöffnung 17 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Andere Formen sind möglich. Die Durchgangsöffnung 17 weist vorzugsweise eine Bohrung auf. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 17 beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm.
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Die Durchgangsöffnung 17 weist zum Steuern der Strömungscharakteristik des Arbeitsmediums eine Steuergeometrie 19 auf.
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Die Steuergeometrie 19 erstreckt sich im Wesentlichen in eine radiale Richtung der Verdrängerspirale 13. Mit anderen Worten weist die Richtung, in die sich die Steuergeometrie 19 erstreckt, eine radiale Richtungskomponente auf. Alternativ sind andere Formen und Richtungen der Steuergeometrie 19 möglich. Die Steuergeometrie 19 erstreckt sich von der Durchgangsöffnung 17 ausgehend nach radial außen der Verdrängerspirale 13.
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Die Steuergeometrie 19 ist in einer Oberfläche des Bodens bzw. der Grundplatte der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Die Steuergeometrie 19 durchdringt den Boden der Verdrängerspirale 13 nicht.
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Die Steuergeometrie 19 weist einen Schlitz auf. Der Schlitz ist gerade. An einem radial Inneren Ende ist die Durchgangsöffnung 17 angeordnet. Das radial äußere Ende der Steuergeometrie weist einen kreisförmigen Abschnitt auf. Andere Formen sind möglich. Die Steuergeometrie 19 ist vorzugsweise als eine Einfräsung oder Einkerbung ausgebildet.
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Die Spiralenabschnitte 18 der Gegenspirale 14 weisen eine radial innere Spiralwand 20a und eine radial äußere Spiralwand 20b auf. Die Dimension der Steuergeometrie 19 und der Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich zwischen der radial inneren Spiralwand 20a und der radial äußeren Spiralwand 20b. Die Steuergeometrie 19 und die Durchgangsöffnung 17 ragen nicht über die Spiralwände 20a, 20b hinaus. Anders gesagt, legt man die Steuergeometrie 19 und einen Spiralenabschnitt 18 übereinander, ragen die Steuergeometrie 19 und die Durchgangsöffnung 17 nicht über die Seitenwände 20a, 20b heraus, sondern sind vollständig verdeckt.
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Zwischen der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 ist eine erste Verdichtungskammer 16a und eine zweite Verdichtungskammer 16b ausgebildet. Die Verdichtungskammern 16a, 16b dienen der Aufnahme und dem Verdichten eines Arbeitsmediums. Als Arbeitsmedium ist beispielsweise ein gasförmiges Kühlmittel möglich. Die Verdichtungskammern 16a, 16b werden unten näher beschrieben.
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Die Verdrängerspirale 13 und die Gegenspirale 14 weisen jeweils entlang der Spiralwände 20a, 20b eine Fase 21 auf. Die Fase 21 erstreckt sich entlang der gesamten Spiralenwindung. Alternativ ist die Fase 21 abschnittsweise an den Spiralenabschnitten 18 angeordnet. So ist es möglich, dass die Fase 21 nur in den Bereichen der Spiralenabschnitte 18 angeordnet ist, in denen die Durchgangsöffnung 17 die Spiralenabschnitte 18, beim Wechsel zwischen den zwei Verdichtungskammern 16a, 16b passiert.
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In 2 bis 8 sind verschiedene Zustände eines Verdichtungszyklus einer Verdrängermaschine 10 schematisch dargestellt. Im nachfolgenden sind die Relativpositionen der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 zueinander als Momentaufnahmen mit Blick auf die Geometrie der jeweiligen Bauteile beschrieben.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verdichtungszyklus mit einer Verdrängerspirale 13 und einer Gegenspirale 14, die miteinander in Eingriff stehen, bei einem Drehwinkel von 0°.
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Bei dem Drehwinkel 0° beginnt der Verdichtungszyklus der Verdrängermaschine 10. Der Drehwinkel 0° beschreibt den Zustand, bei dem eine der wenigstens zwei Verdichtungskammern 16a, 16b geschlossen ist. Es ist möglich, dass bei 0° beide Verdichtungskammern geschlossen sind.
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Eine Verdichtungskammer ist geschlossen, wenn die Verdichtungskammer fluiddicht von der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 umschlossen ist.
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Die erste Verdichtungkammer 16a ist noch geöffnet. Die zweite Verdichtungskammer 16b ist geschlossen. Die Verdichtungskammern 16a, 16b sind im radial äußeren Bereich der Spiralen 13, 14 angeordnet. Im radial inneren Bereich der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 sind zwei weitere erste und zweite Verdichtungskammern 16c, 16d eines vorangegangenen Verdichtungszyklus ausgebildet. Das relative Volumen der Verdichtungskammern 16a, 16b ist größer als das relative Volumen der Verdichtungskammern 16c, 16d.
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Im Bereich des Zentrums der Anordnung der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 ist eine innere Verdichtungskammer 23 angeordnet. Die innere Verdichtungskammer 23 ist aus zwei miteinander vereinigten Verdichtungskammern gebildet.
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Zusätzlich sind zwischen der Auslassöffnung 22 und dem radial äußeren Bereich der Gegenspirale 14 zwei sekundäre Auslassöffnungen 22a, 22b bzw. Vorauslassöffnungen angeordnet. Die sekundären Auslassöffnungen 22a, 22b weisen jeweils unterschiedliche radiale Abstände vom Zentrum der Gegenspirale 14 auf.
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In der Verdrängerspirale 13 ist die Durchgangsöffnung 17 mit der Steuergeometrie 19 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind von einem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verdeckt. Die Durchgangsöffnung 17 ist daher verschlossen.
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3 zeigt eine Momentaufnahme des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel der Verdrängerspirale 13 von 60°. In 3 sind beide Verdichtungskammern 16a, 16b geschlossen. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b in 3 sind kleiner als die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b in 2.
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Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind in der Verdichtungskammer 16d angeordnet. Anders gesagt ist die Durchgangsöffnung 17 nicht von einem Spiralenabschnitt 18 verdeckt bzw. verschlossen.
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4 zeigt eine Ansicht des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 160°. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b sind geringer als in den vorhergehend beschriebenen Figuren.
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Die Durchgangsöffnung 17 ist von einem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verdeckt. Die Steuergeometrie 19 ragt teilweise in die erste Verdichtungskammer 16a hinein. Die Durchgangsöffnung 17 ist daher mit der ersten Verdichtungskammer 16a fluidverbunden.
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Die Verdichtungskammern 16c, 16d haben sich zu der inneren Verdichtungskammer 23 vereint.
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5 zeigt eine Ansicht des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 300°. Die relativen Volumina der ersten und zweiten Verdichtungskammern 16a, 16b haben sich weiter verringert. Im radial äußeren Bereich der beiden Spiralen beginnen sich neue Verdichtungskammern 16e, 16f zu bilden.
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Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet.
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6 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 400°. Im radial äußeren Bereich der Verdrängerspiralen 13, 14 haben sich zwei neue Verdichtungskammern 16e, 16f gebildet. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b haben sich weiter verringert. Die Durchgangsöffnung 17 und ein Abschnitt der Steuergeometrie 19 sind in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Ein Teil der Steuergeometrie 19 ist von dem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verdeckt. Die Auslassöffnung 22 ist teilweise in der inneren Verdichtungskammer 23 und in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet.
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7 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 460°. Die relativen Volumina der ersten und zweiten Verdichtungskammer 16a, 16b haben sich weiter verringert. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Die Auslassöffnung 22 ist in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Die Auslassöffnung 22 ist teilweise von der Verdrängerspirale 13 überdeckt.
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8 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel der Verdrängerspirale 13 von 560°. Die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b haben sich zu einer inneren Verdichtungskammer 23 vereint. Die Auslassöffnung 22 ist vollständig in der inneren Verdichtungskammer 23 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der neu gebildeten ersten Verdichtungskammer 16e angeordnet.
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9 zeigt einen Schnitt durch die Verdrängerspirale 13 im Bereich der Durchgangsöffnung 17 und der Steuergeometrie 19. Die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich geradlinig. Die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich orthogonal zur Oberfläche der Verdrängerspirale 13. Unter der Oberfläche ist hier die Oberfläche zu verstehen, die der Gegenspirale 14 zugewandt ist.
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Die Steuergeometrie 19 ist in der Oberfläche der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Anders gesagt umfasst die Steuergeometrie 19 eine Vertiefung. Als Ausführungsformen der Steuergeometrie 19 ist beispielsweise eine Einkerbung oder eine Einfräsung möglich. Es ist möglich, dass die Steuergeometrie 19 einen Spalt umfasst, wobei der Spalt in Richtung der Gegenspirale 14 offen und in Richtung der Verdrängerspirale 13 geschlossen ist. Die Steuergeometrie 19 verläuft entlang einer radialen Richtung der Verdrängerspirale 13. Es sind andere Ausrichtungen und Geometrien für die Steuergeometrie denkbar. So ist es auch möglich, dass die Steuergeometrie 19 nicht gerade verläuft.
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Die 10 und 11 zeigen jeweils Schnitte durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Verdrängermaschine 10.
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Die Verdrängermaschine 10 umfasst ein Gehäuse 24. Das Gehäuse 24 weist eine zylindrische Form auf. In dem Gehäuse 24 ist ein Antrieb 25 angeordnet. Als Antrieb 25 ist beispielsweise ein Elektromotor oder ein mechanischer Antrieb 25 denkbar. Der Antrieb 25 ist mit einer Welle 26 verbunden und treibt die Welle 26 an.
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Die Welle 26 erstreckt sich in eine Längsrichtung des Gehäuses 24. An einem axialen Ende der Welle 26 ist ein Exzenterlager 27 mit einem Exzenterstift angeordnet. Durch das Exzenterlager 27 ist die Verdrängerspirale 13 mit der Welle 26 verbunden.
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Auf der dem Exzenterlager 27 abgewandten Seite der Verdrängerspirale 13 ist im Gehäuse 24 die Gegenspirale 14 angeordnet. Die Gegenspirale 14 ist fest und unbeweglich im Gehäuse 24 der Verdrängermaschine 10 angeordnet. Es ist möglich, dass die Gegenspirale 14 mit dem Gehäuse 24 einteilig ausgebildet ist.
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Auf der der Gegenspirale 14 abgewandten Seite der Verdrängerspirale 13 ist eine Niederdruckkammer 12 angeordnet. Zwischen der Niederdruckkammer 12 und der Verdrängerspirale 13 ist eine Gegendruckkammer 15 angeordnet.
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Die Verdrängerspirale 13 ist in eine Richtung parallel zur Längsrichtung der Welle 26 beweglich im Gehäuse 24 angeordnet. Mit anderen Worten ist die Verdrängerspirale 13 in Richtung der Gegenspirale 14 und von der Gegenspirale 14 weg verschiebbar. Im Boden der Verdrängerspirale 13 ist die Durchgangsöffnung 17 angeordnet. Durch die Durchgangsöffnung 17 ist es möglich, im Betrieb die Verdichtungskammern 16 mit der Gegendruckkammer 15 fluidleitend zu verbinden.
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Auf der der Verdrängerspirale 13 abgewandten Seite der Gegenspirale 14 ist eine Hochdruckkammer 11 angeordnet.
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Durch die ineinander greifenden Spiralen 13, 14 sind die Verdichtungskammern 16 gebildet. Anders gesagt sind die Verdichtungskammern 16 von den Spiralenabschnitten 18 der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 begrenzt.
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Das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Kühlmittel, wird zu Beginn eines Verdichtungszyklus in einem radial äußeren Bereich der Spiralen 13, 14 angesaugt. Das Arbeitsmedium wird in den Verdichtungskammern 16a, 16b zwischen der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 transportiert.
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Im Betrieb entsteht durch die Rotation der Welle 26 und der exzentrischen Verbindung der Verdrängerspirale 13 mit der Welle 26 die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale 13.
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Durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale 13 verringern sich die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16. Die Verdichtungskammern 16 sind temporär. Die Verdichtungskammern 16 bilden sich kontinuierlich im äußeren radialen Bereich der Spiralenanordnung immer wieder neu und wandern anschließend ins radial Innere der Spiralenanordnung und lösen sich im radial Inneren der Spiralenanordnung auf. Der Bewegungspfad der Verdichtungskammern 16 ist spiralförmig. In dem Ausführungsbeispiel, das in 2 bis 8 dargestellt ist, sind bis zu fünf Verdichtungskammern 16, 23 möglich. Dabei handelt es sich um jeweils zwei Paare mit ersten und zweiten Verdichtungskammern 16 und eine innere Verdichtungskammer 23. Es sind ferner Konfigurationen möglich, die mehr oder weniger Verdichtungskammern 16, 23 umfassen.
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Die Durchgangsöffnung 17 bildet in einem Winkelbereich des Drehwinkels zwischen 147° bis 367° eine Fluidverbindung zwischen der ersten Verdichtungskammer 16a und der Gegendruckkammer 15. Zwischen dem Winkelbereich des Drehwinkels zwischen 376° und 504° bildet die Durchgangsöffnung 17 eine Fluidverbindung mit der zweiten Verdichtungskammer 16b und der Gegendruckkammer 15. In dem Winkelbereich des Drehwinkels zwischen 367° und 376° ist die Durchgangsöffnung 17 von einem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verschlossen.
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Die Durchgangsöffnung 17 ist zunächst in der ersten Verdichtungskammer 16a und anschließend in der zweiten Verdichtungskammer 16b eines Verdichtungszyklus angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 ist pro Verdichtungszyklus jeweils einmal in einer der Verdichtungskammern 16a, 16b angeordnet. Nach der zweiten Verdichtungskammer 16b wandert die Durchgangsöffnung 17 zur ersten Verdichtungskammer 16c, des darauffolgenden Verdichtungszyklus.
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Durch die Durchgangsöffnung 17 strömt ein Teil des Arbeitsmediums in die Gegendruckkammer 15. Dadurch erhöht sich der Druck in der Gegendruckkammer 15. Durch den Druck wird die Verdrängerspirale 13 mit einer Kraft in axialer Richtung beaufschlagt. Die Kraft wirkt in Richtung der Gegenspirale 14. Da die Verdrängerspirale 13 in axialer Richtung beweglich ist, wird diese an die Gegenspirale 14 angepresst. Das Anpressen der Verdrängerspirale 13 an die Gegenspirale 14 bewirkt ein Verdichten des Arbeitsmediums mit möglichst geringen Leistungseinbußen.
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Die Steuergeometrie 19 bildet im Betrieb mit einer der Verdrängerspirale zugewandten Seite der Gegenspirale 14 einen fluidleitenden Kanal. Dadurch ist es möglich, dass zwischen einer Verdichtungskammer 16 und der Gegendruckkammer 15 eine fluidleitende Verbindung gebildet ist, bevor die Durchgangsöffnung 17 in einer Verdichtungskammer 16 vollständig oder teilweise angeordnet ist.
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Durch die Auslassöffnung 22 strömt das verdichtete Arbeitsmedium in die Hochdruckkammer 11. Durch die Hochdruckkammer 11 gelangt das Arbeitsmedium wieder in einen Arbeitskreislauf, insbesondere in einen Kühlkreislauf. Die sekundären Auslassöffnungen 22a, 22b sind im Betrieb durch die unterschiedlichen Abstände zum Mittelpunkt der Gegenspirale 14 in verschiedenen Druckbereichen der Verdrängermaschine 10 angeordnet.
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Im Nachfolgenden wird ein Verdichtungszyklus anhand von 2 bis 8 erläutert. Dabei werden insbesondere die Verdichtungskammern 16a, 16b betrachtet.
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2 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 0°. Bei dem Drehwinkel von 0° ist eine der wenigstens zwei Verdichtungskammern 16a, 16b geschlossen. In 2 ist keine Fluidverbindung zwischen einer der Verdichtungskammern 16 und der Gegendruckkammer 15 gebildet, da die Durchgangsöffnung 17 mit der Steuergeometrie 19 von einem Spiralenabschnitt 18 vollständig verdeckt ist.
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Bei einem Drehwinkel von 60° (vgl. 3) sind die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b geschlossen. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b verringern sich mit wachsendem Drehwinkel. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 bewegen sich auf einer Kreisbahn.
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Bei einem Drehwinkel von 160° (vgl. 4) ist die Durchgangsöffnung 17 weiter gewandert. Die Durchgangsöffnung 17 ist von dem Spiralenabschnitt 18 verdeckt, der die erste Verdichtungskammer 16a und die zweite Verdichtungskammer 16b trennt. Die Durchgangsöffnung 17 ist nicht in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet.
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Die Steuergeometrie 19 der Durchgangsöffnung 17 ist abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet. Die Steuergeometrie 19 und der Spiralenabschnitt 18 begrenzen einen Kanal. Durch den Kanal ist die Gegendruckkammer 15 mit der ersten Verdichtungskammer 16a fluidleitend verbunden.
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Bei dem in 5 dargestellten Drehwinkel von 300° ist die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 vollständig in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet. Das Arbeitsmedium kann unmittelbar durch die Durchgangsöffnung 17 in die Gegendruckkammer 15 strömen.
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Der Druck in der ersten Verdichtungskammer 16a ist in 5 höher als in der ersten Verdichtungskammer 16a in 4. Der Druck in den Verdichtungskammern 16a, 16b steigt mit der Verkleinerung der relativen Volumina.
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6 zeigt, dass bei einem Drehwinkel von 400° die Durchgangsöffnung 17 in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 haben den Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 passiert. Während dem Passieren des Spiralenabschnitts 18 ist die Durchgangsöffnung 17 von dem Spiralenabschnitt 18 verschlossen.
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Die Zeitspanne, in der die Gegendruckkammer 15 mit keiner Verdichtungskammer 16 verbunden ist, reicht nicht aus, damit der Druck in der Gegendruckkammer sinkt, so dass die Verdrängerspirale 13 nicht mehr fluiddicht an die Gegenspirale 14 angepresst ist.
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In 7 ist der Zustand des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 460° dargestellt. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b stehen kurz davor sich zu vereinigen und die innere Verdichtungskammer 23 zu bilden. In 7 ist zu erkennen, dass zeitgleich zu dem laufenden Verdichtungszyklus ein neuer Verdichtungszyklus beginnt.
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Bei einem Drehwinkel von 560° (vgl. 8) haben sich die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b zur inneren Verdichtungskammer 23 vereinigt. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind in einer nachfolgenden ersten Verdichtungskammer 16e des neuen Verdichtungszyklus angeordnet.
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Es ist möglich, dass mehrere Verdichtungszyklen parallel stattfinden. Die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b und die erste und zweite Verdichtungskammer 16c, 16d sind unterschiedlichen Verdichtungszyklen zugeordnet. Mit anderen Worten umfasst jeder Verdichtungszyklus ein Paar einer ersten und zweiten Verdichtungskammer 16a, 16b.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdrängermaschine
- 11
- Hochdruckkammer
- 12
- Niederdruckkammer
- 13
- Verdrängerspirale
- 14
- Gegenspirale
- 15
- Gegendruckkammer
- 16a
- erste Verdichtungskammer
- 16b
- zweite Verdichtungskammer
- 16c
- erste Verdichtungskammer
- 16d
- zweite Verdichtungskammer
- 16e
- erste Verdichtungskammer
- 16f
- zweite Verdichtungskammer
- 17
- Durchgangsöffnung
- 18
- Spiralenabschnitt
- 19
- Steuergeometrie
- 20a
- radial innere Spiralenwand
- 20b
- radial äußere Spiralenwand
- 21
- Fase
- 22
- Auslassöffnung
- 22a
- sekundäre Auslassöffnung
- 22b
- sekundäre Auslassöffnung
- 23
- innere Verdichtungskammer
- 24
- Gehäuse
- 25
- Antrieb
- 26
- Welle
- 27
- Exzenterlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017110913 B3 [0002]
