DE102021121375A1

DE102021121375A1 - Spiralverdichter für Kältemittel-Öl-Gemische mit Ölrückführung

Info

Publication number: DE102021121375A1
Application number: DE102021121375.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Rosenbach; Michael Friedl; Dirk Gutberlet; Kadir Dursun
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2022-05-25
Also published as: CN115917156A; JP2024503169A; US20240011490A1; US11982276B2; WO2022108232A1; KR20220160706A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter (1) für Kältemittel-Öl-Gemische mit Ölrückführung, aufweisend ein Gehäuseelement (2) und eine feste Spirale (3), wobei das Gehäuseelement (2) mittels einer Dichtung (4) derart mit der festen Spirale (3) verbunden ist, dass zwischen dem Gehäuseelement (2) und der festen Spirale (3) eine Auslasskammer (6) ausgebildet ist, wobei zur Ölseparierung und Ölrückführung nach der Auslasskammer (6) eine Ölabscheidekammer (9) mit einem Kältemittelhochdruckausgang (10) und einem Ölsammelbereich (13) sowie ein Ölrückführkanal (12) zu einer Saugdruckkammer (15) hin angeordnet sind und welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass im geodätisch unteren Bereich der Auslasskammer (6) ein Auslasskammerablauf (11) für Öl in den Ölrückführkanal (12) der Ölabscheidekammer (9) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter für Kompressionskälteanlagen, in welchen Kältemittel-Öl-Gemische verdichtet werden. Das Kältemittelöl wird nach der Verdichtung abgeschieden und in einem kurzen Kreislauf zur effizienten Schmierung des Verdichters den zu schmierenden Bereichen der mechanisch wirkenden Verdichterelemente zugeführt.
Gattungsgemäße Kältemittelverdichter besitzen nach der Verdichterkammer eine Auslasskammer, in welche das Kältemittel-Öl-Gemisch auf Hochdruckniveau eingeleitet wird. Die Auslasskammer besitzt nur einen Ausgang für das verdichtete Gemisch mit dem Kältemittelölanteil, der direkt zum Ölabscheider führt. Im Ölabscheider wird das Öl separiert und mittels eines Ölrückführungskanals über mindestens ein Druckminderelement auf die Saugseite vor die Verdichtereinheit geführt. Die Auslasskammer selbst weist keine speziellen Konstruktionselemente auf, die die Funktion eines Ölabscheiders besitzen, da ein speziell ausgestalteter Ölabscheider nachgeschaltet ist. Entsprechend gibt es auch keinen Ölrückführungspfad oder Ähnliches. Die Auslasskammer wird bevorzugt als Kavität mit möglichst großem Volumen ausgeführt, da ein großes Volumen eine Dämpfung der Ausstoßdruckpulsation und damit ein verbessertes NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) zeigt.
Ein bekanntes Problem bei Spiralverdichtern nach dem Stand der Technik besteht nunmehr darin, dass die Austasskammer im hinteren Gehäuse nach der Verdichtereinheit nicht als Ölabscheider ausgeführt ist, da zur Dämpfung der Ausstoßdruckpulsation üblicherweise an dieser Stelle bevorzugt eine Kammer mit großem Volumen platziert wird. Aufgrund des im Vergleich zum Auslass der festen Spirale großen Volumens dieser Kammer wird die Strömungsgeschwindigkeit deutlich gesenkt. Insbesondere bei geringen Massenströmen bewirkt die Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit in der Auslasskammer eine unbeabsichtigte Wirkung als Ölabscheider aufgrund der unterschiedlichen Masseträgheiten von Öl und Kältemittel. Das in der Auslasskarrimer abgeschiedene Öl steht dem Verdichter damit bei geringen Massenströmen nicht mehr zur Verfügung. Nur bei dem Betrieb mit hohen Massenströmen bei beispielsweise hoher Drehzahl kann dieses Öl wieder aus der Auslasskammer abtransportiert und dem Verdichter zur Verfügung gestellt werden.
Aus dem Stand der Technik ist aus der JPA 2019-056322 ein Kältemittelverdichter mit zwei nacheinander angeordneten Ölabscheidern und zwei getrennten Ölrückführungskanälen bekannt, um den vorgenannten Nachteil der Spiralverdichter zu überwinden. Dabei werden Konstruktionselemente mit dem Ziel der Ölseparierung bereits in die Auslasskammer implementiert, um einen vorgeschalteten zusätzlichen Ölabscheider zu erzeugen. Des weiteren wird das gezielt im ersten vorgeschalteten Ölabscheider abgeschiedene Öl mit einem eigenen Ölrückführkanal mit ebenfalls einem eigenen Düsenelement direkt zur Verdichtereinheit geführt. Dieser Ölrückführkanal ist zusätzlich zu dem üblichen Ölrückführkanal, der durch das im Ölabscheider nach dem Stand der Technik separierte Öl gespeist wird, ausgebildet. Die Ölrückführungskanäle führen zu separat voneinander positionierten Zugängen in die Ansaugkammer und in die Verdichterkammer des Spiralverdichters.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ölrückführung im Verdichter zu verbessern, um in Betriebszuständen mit geringerem Massenstrom eine stabile und zuverlässige Schmierung des Verdichters zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen Spiralverdichter für Kältemittel-Öl-Gemische mit Ölrückführung gelöst, welcher neben anderen üblichen Komponenten eines Spiralverdichters ein Gehäuseelement und eine an diesem befestigte feste Spirale aufweist. Das Gehäuseelement ist mit der festen Spirale derart verbunden, dass eine Auslasskammer für das verdichtete Kältemittel-Öl-Gemisch zwischen dem Gehäuseelement und der festen Spirale nach der Verdichterkammer ausgebildet ist beziehungsweise dass die Auslasskammer vom Gehäuseelement und der Festen Spirale begrenzt wird. Um die Auslasskammer als Raum abzudichten ist zwischen dem Gehäuseelement und der festen Spirale eine Dichtung angeordnet. Zur Ölseparierung und Ölrückführung nach der Auslasskammer ist eine Ölabscheidekammer vorgesehen, welche ihrerseits einen Kältemittelhochdruckausgang und einen Ölsammelbereich aufweist. Im unteren Bereich des Ölsammelbereichs ist ein Ölrückführkanal zu der Saugdruckkammer des Spiralverdichters hin angeordnet. Die Druckdifferenz wird über ein Düsenelement oder Ähnliches ausgeglichen. Der Spiralverdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass im geodätisch unteren Bereich der Auslasskammer ein Auslasskammerablauf für Öl in den Ölrückführkanal der Ölabscheidekammer ausgebildet ist. Über den Auslasskammerablauf gelangt das in der Auslasskammer abgeschiedene Öl bei Betriebszuständen mit niedrigen Masseströmen beispielsweise direkt und auf kürzestem Wege in den Ölrückführkanal und nachfolgend in die Saugdruckkammer zur Schmierung der bewegten Teile des Spiralverdichters.
Bevorzugt ist in der Auslasskammer des Spiralverdichters ein Auslasskammerventil integriert und derart angeordnet und ausgebildet, dass ein in der festen Spirale angeordneter Verdichterauslass zur Auslasskammer hin damit regelbar ausgebildet ist. Das Auslasskammerventil regelt somit den Kältemittel-Öl-Massenstrom, der aus dem Verdichterauslass in die Auslasskammer gelangt.
Besonders bevorzugt ist im geodätisch oberen Bereich der Auslasskammer ein Auslasskammerkanal zur Verbindung mit der Ölabscheidekammer für das Kältemittel-Öl-Gemisch ausgebildet. Das Kältemittel-Öl-Gemisch gelangt somit nach dem Verdichtungsprozess und dem Durchströmen der Auslasskammer über den Auslasskammerkanal in die Ölabscheidekammer, in welcher dann die gezielte Ölabscheidung aus dem Gemisch erfolgt.
Vorteilhaft sind sowohl die Ölabscheidekammer und der Ölrückführkanal in das Gehäuseelement integriert ausgebildet, so dass keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Ölrückführkanal wenigstens teilweise durch die feste Spirale hindurch zur Saugdruckkammer hin ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der Übergang des Ölrückführkanals vom Gehäuseelement zur festen Spirale mittels einer Dichtung fluiddicht ausgeführt.
Besonders bevorzugt ist der Auslasskammerablauf als Kanal ebenfalls im Gehäuseelement ausgebildet.
Der Erfindungsgedanke wird dahingehend vertieft, dass der Kanal als Bohrung im Gehäuseelement ausgebildet ist. Dies ist fertigungstechnisch eine sehr einfache und unaufwändige Maßnahme zur Ausführung des Kanals.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Kanales besteht darin, diesen als Stufenbohrung im Gehäuseelement auszubilden, wobei vor der Verbindung mit dem Ölrückführkanal eine düsenartige Verengung ausgebildet ist. Über die düsenartige Verengung ist eine besonders präzise Regulierung des durch den Kanal in den Ölrückführkanal strömenden Fluidstroms regelbar.
Besonders vorteilhaft ist im Kanal ein separates Düsenelement angeordnet, welches besonders bevorzugt auswechselbar ausgeführt ist. Somit kann beispielsweise bei Wechsel des Kältemittelöls das Düsenelement auf andere rheologische Eigenschaften des Öls angepasst werden.
Alternativ zur Ausgestaltung eines Kanales nach den vorgenannten Ausführungen ist der Auslaufkammerablauf als Nut in der Dichtfläche des Gehäuseelementes ausgebildet.
Wiederum alternativ ist der Auslasskammerablauf als Nut in der Dichtfläche der festen Spirale ausgebildet.
Wiederum alternativ ist der Auslasskammerablauf als Dichtung mit einem Ausschnitt ausgebildet, so dass sich der Auslasskammerablauf durch eine Aussparung in der Dichtung ergibt.
Eine weitere vorteilhafte Alternative der Ausgestaltung des Auslasskammerablaufes besteht darin, dass dieser als Kanal in der Dichtfläche des Gehäuseelementes ausgebildet ist.
Die vorgenannte Ausgestaltung wird dadurch noch vorteilhaft verbessert, in dem der Kanal in der Dichtfläche des Gehäuseelementes als Labyrinth oder mäanderförmig ausgebildet ist.
Der Auslasskammerablauf weist bevorzugt an der engsten Stelle bei der Ausgestaltung als Bohrung oder als kreisförmiger Kanal einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt mit einem Durchmesser von 1,2 mm auf. Bei zu großen Durchmessern des Auslasskammerablaufes kommt es zu einem signifikanten Anstieg des Gegendrucks zum Anpressen der orbitierenden Spirale.
Dies entspricht zirka einem Strömungsquerschnitt von 1,131 mm² des Auslasskammerablaufes an der engsten Stelle, beispielsweise der Düsenöffnung.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, keinen zweiten Ölrückführkanal sondern einen zweiten Zugang zum bestehenden Ölrückführungskanal zu schaffen, um die betriebspunktabhängig nicht gezielt abgeschiedenen Ölmengen aus der Auslasskammer abzuführen. Dieser zweite Zugang ist stromabwärts vom Standardölabscheider, aber stromaufwärts des Düsenelements des Ölrückführkanals angeordnet und befindet sich somit auf annähernd gleichem Druckniveau mit dem in der Ölabscheidekammer abgeschiedenen Öl, um die unbeabsichtigt in der Auslasskammer massenstromabhängig separierte Ölmenge dem Verdichter wieder zur Verfügung zu stellen. Die Form und der Querschnitt des weiteren Ausgangs, des Auslasskammerablaufes, müssen so ausgelegt sein, dass einerseits das Öl aus der Auslasskammer abgelassen werden kann, zum anderen darf bei Betriebspunkten mit keiner oder nur geringfügig abgeschiedenen Ölmenge der Wirkungsgrad des Kompressors nicht gemindert und das möglicherweise vorhandene Gegendrucksystem zum Anpressen der beweglichen Spirale nicht verändert werden.
Dementsprechend sollte der Auslass aus dieser Kammer in Bodennähe angeordnet sein. Insbesondere muss der Zugang zum Standardölrückführungskanal so positioniert sein, dass an Betriebspunkten mit wenig abgetrenntem Öl in der Kammer kein Kältemittel in den Ölrücklauf eingemischt wird, da dies unter anderem zu einer Verminderung der Viskosität des Öl-Kältemittel-Gemisches und damit zu einem Anstieg des Gegendrucks führt.
Das Kältemittel-Öl-Gemisch erreicht die Auslasskammer im hinteren Gehäuse nach dem Verdichterauslass der festen Spirale. Das Kältemittel-Öl-Gemisch tritt nach der Auslasskammer in den Ölabscheider ein. Von dort verlässt der öl-arme Anteil des Kältemittel-Öl-Gemisches den Verdichter über den Kältemittelhochdruckausgang. Das abgetrennte Öl wird über den Ölrückführungskanal zur Saugseite transportiert.
Die Erfindung löst die Aufgabenstellung auf besonders einfach zu realisierende Weise mit geringem konstruktivem Aufwand. Das unbeabsichtigt abgetrennte Öl wird aus der Auslasskammer mittels des zweiten Auslasses, des Auslasskammerablaufes, zum Ölrückführungskanal entfernt. Dies ist ein verbessertes Ölmanagement, was unter anderem zu einer Reduktion der für das Klimasystem notwendigen Ölmenge und somit zu einer verbesserten Leistungscharakteristik des Systems führt. Verbunden mit diesem Konzept ist weiterhin eine Verbesserung der Pulsationscharakteristik bei Betriebsbedingungen mit geringem Durchfluss. Besonders vorteilhaft ist, dass keine negativen Auswirkungen auf die Effizienz und den gegebenenfalls vorhandenen Gegendruck zum Anpressen der orbitierenden Spirale des elektrischen Verdichters entstehen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund der verringerten Menge an unbeabsichtigt abgeschiedenem Öl die Pulsationscharakteristik bei Betriebsbedingungen mit niedrigen Massenströmen, beziehungsweise Durchflussraten, verbessert wird.
Um den unbeabsichtigt in der Auslasskammer abgetrennten Massenstrom in den Schmierkreislauf einzubinden wird das abgetrennte Öl mit einem weiteren Zugang zum bereits eingerichteten Ölrücklauf zum Verdichter zurückgeführt. Die Form und der Querschnitt der Verbindung sind vorteilhaft so ausgelegt, dass das unbeabsichtigt gesammelte Öl aus der Auslasskammer in den festgelegten Ölrücklaufweg abgelassen und die Wirkungsgrad- und Gegendruckkennlinie nicht verändert wird.
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: Spiralverdichter in Teilansicht Längsschnitt
1B: Gehäuseelement und feste Spirale Detail Längsschnitt
2A: Gehäuseelement Ansicht axial
2B: Gehäuseelement Schnitt A-A
2C: Düsenelement Detail B integriert ausgebildet
2D: Düsenelement Detail B separat ausgebildet
2E: Düsenelement Detail B als Stufenbohrung ausgebildet
2F: Gehäuseelement mit Dichtung Querschnitt
3A: feste Spirale und Gehäuseelement Ansicht axial
3B: Gehäuseelement Schnitt B-B
3C: Gehäuseelement Detail C
3D: Gehäuseelement Schnitt D-D Spaltsektor
3E: Gehäuseelement Schnitt D-D Spaltlänge
3F: Gehäuseelement Detail C
3G: Gehäuseelement Dichtung Spaltsektor
4A: Gehäuseelement Detail C Kanal in Dichtung
4B:Gehäuseelement Schnitt F-F
4C: Gehäuseelement mit Dichtung perspektivische Ansicht
4D: Dichtung mit Spalt
4E: Dichtung mit Nut
4F: Dichtung mit Nut Vergrößerung
5A: Gehäuseelement Querschnitt mit Kanal
5B: Gehäuseelement Schnitt G-G
5C: Gehäuseelement Querschnitt mit mäanderförmigem Kanal.

In 1 ist ein Spiralverdichter 1 teilweise und im Längsschnitt dargestellt. Der Spiralverdichter 1 ist in der Darstellung mit den Komponenten Gehäuseelement 2 und feste Spirale 3 gezeigt, welche miteinander verbunden sind. Zwischen dem Gehäuseelement 2 und der festen Spirale 3 sind Teilbereiche der aufeinanderliegenden Flächen fluiddicht durch eine Dichtung 4 abgedichtet. In der festen Spirale 3 ist ein Verdichterauslass 5 als Durchgang ausgebildet, durch welchen das verdichtete Kältemittel-Öl-Gemisch auf Hochdruckniveau in die zwischen der festen Spirale 3 und dem Gehäuseelement 2 ausgebildete Auslasskammer 6 einströmt. Die Auslasskammer 6 als Kavität ist innerhalb des Gehäuseelements 2 ausgebildet und wird auf einer Seite durch die Rückseite der festen Spirale 3 begrenzt. Die Auslasskammer 6 weist in ihrem oberen Bereich einen Auslasskammerkanal 8 auf, welcher in die Ölabscheidekammer 9 mündet. Die Ölabscheidekammer 9 besitzt im oberen Bereich einen Kältemittelhochdruckausgang 10 sowie im unteren Bereich einen Ölsammelbereich 13 mit gegebenenfalls eingepresstem Partikelfilter. Dieser ist so positioniert, dass der Kanal von der Auslasskammer 6 noch stromaufwärts vom Filter liegt, so das Öl beim Zugang zum Ölrückführkanal 12 noch den Filter passieren muss. Aus dem Ölsammelbereich 13 erstreckt sich der Ölrückführkanal 12 hin zur festen Spirale 3, wo der Ölrückführkanal 12 durch diese hindurchgeführt wird und schließlich in der Saugdruckkammer 15 beziehungsweise der Gegendruckkammer 14 mit entsprechenden Drosselelementen endet. In vorangehend beschriebener Ausgestaltung entspricht der Spiralverdichter 1 dem Stand der Technik. Dabei wird der Massenstrom des Kältemittel-Öl-Gemisches im Spiralverdichter 1 wie folgt geführt. Das Kältemittel-Öl-Gemisch wird nach der mechanisch wirkenden Verdichtereinheit des Spiralverdichters 1 über den auch als Hauptauslass bezeichneten Verdichterauslass 5 in der festen Spirale 3 in den Hochdruckbereich des hinteren Gehäuses, der Auslasskammer 6, gefördert. Aufgrund der Zunahme des durchströmten Querschnitts vom Verdichterauslass 5 in die Auslasskammer 6 hinein wird mit dem Kältemittel-Öl-Gemisch in die Auslasskammer 6 gelangtes Öl vom Kältemittel separiert und nicht weitertransportiert. Dies erfolgt beispielsweise abhängig von den Betriebsbedingungen bei niedrigeren Drehzahlen des Spiralverdichters 1. Die Abscheidung eines Anteils des Öls aus dem Kältemittel-Öl-Gemisch ist an diesem Ort nicht beabsichtigt und das in der Auslasskammer 6 unerwünscht abgeschiedene Öl wird erst bei Betriebsbedingungen mit höheren Volumenströmen wieder vom Kältemittelmassenstrom aufgenommen und abtransportiert. Entsprechend ist jedoch die aktuell zirkulierende Ölmenge abhängig von den Betriebsbedingungen des Spiralverdichters 1. Das KältemittelÖl-Gemisch verlässt die Auslasskammer 6 zur Ölabscheidekammer 9 hin, welche als Zyklonabscheider ausgeführt ist. In der Ölabscheidekammer 9 wird Kältemittel und Öl aufgrund der Dichteunterschiede getrennt. Das Kältemittel verlässt schließlich über den Kältemittelhochdruckausgang 10 den Spiralverdichter 1. Das in der Ölabscheidekammer 9 abgeschiedene Öl sammelt sich im Ölsammelbereich 13 und wird über den Ölrückführkanal 12 in die Saugdruckkammer 15 und die Gegendruckkammer 14 transportiert. Je nach Konstruktion des Spiralverdichters 1 wird durch den Ölrückführkanal 12 auch der Gegendruck zum Anpressen der orbitierenden Spirale in der Gegendruckkammer 14 eingestellt, wie in 1 angedeutet.
Die vorliegende Erfindung wird dadurch charakterisiert, dass ein zweiter Auslass zum Ölrückführkanal 12 im Gehäuseelement 2 vorgesehen ist. Dies ist im Ausführungsbeispiel nach 1 A hervorgehoben dargestellt. Dieser zweite Auslass ist als Auslasskammerablauf 11 ausgebildet und verbindet die Auslasskammer 6 und dort insbesondere den geodätisch unteren Bereich der Auslasskammer 6 mit dem Ölrückführkanal 12. Das Kältemittel-Öl-Gemisch wird wie vorangehend bereits beschrieben nach der Verdichtereinheit über den Verdichterauslass 5 der festen Spirale 3 in den Hochdruckbereich des Gehäuseelements 2, die Auslasskammer 6, gefördert. Aufgrund der Zunahme des durchströmten Querschnitts wird ein Teil des Öls des Kältemittel-Öl-Gemisches jeweils abhängig von den Betriebsbedingungen nicht vom Kältemittel-Öl-Gemisch weitertransportiert. Dieser unerwünschte Nebeneffekt tritt bei niedrigeren Drehzahlen des Spiralverdichters 1 auf. Entsprechend ist die Ölmenge in der Auslasskammer 6 abhängig von den Betriebsbedingungen. Der Ölrücklauf wird darüber realisiert, dass der Massenstrom des Kältemittel-Öl-Gemisches die Auslasskammer 6 zur Ölabscheidekammer 9 verlässt und dort Kältemittel und Öl separiert werden. Das in der Ölabscheidekammer vom Öl befreite Kältemittel mit geringer Ölmenge verlässt den Spiralverdichter 1 über den Kältemittelhochdruckausgang 10 des Spiralverdichters. Das gezielt abgeschiedene Öl aus der Ölabscheidekammer 9 wird in dem im Gehäuse ausgebildeten Ölsammelbereich 13 gesammelt und über den Ölrückführkanal 12 auf die Saugseite des Spiralverdichters 1 transportiert. Je nach Konstruktion des Verdichters wird durch diesen Kanal auch der Gegendruck zum Anpressen der orbitierenden Spirale eingestellt. Von entscheidender Bedeutung für eine Verbesserung des Ölkreislaufes ist der erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche Zufluss zum Ölrücklauf aus der Auslasskammer 6 durch den Auslasskammerablauf 11. Ein kleiner Volumenstrom, der hauptsächlich Öl enthält, verlässt die Auslasskammer 6 am Boden der Auslasskammer 6 durch den Auslasskammerablauf 11. Dieser Ölvolumenstrom hat nur einen geringen Anteil von Kältemittelmenge gelöst und wird dem Ölvolumenstrom im Ölrückführkanal 12 hinzugefügt. Dies erfolgt betriebsbedingungsabhängig und ist im unteren Bereich des Gehäuseelements 2 schematisch mit Pfeilen gezeigt.
In 1B sind das Gehäuseelement 2 sowie die von diesem aufgenommene feste Spirale 3 als wesentliche Bestandteile des Spiralverdichters 1 stark schematisiert dargestellt. Dabei sind die Kanäle zur Aufnahme und Führung des Kältemittel-Öl-Gemisches vergrößert gezeigt.
Der Verdichterauslass 5 in der festen Spirale 3 mündet in die Auslasskammer 6 deren Wandungen einerseits gebildet wird durch das Gehäuseelement 2 und andererseits durch die feste Spirale 3. Zur Abdichtung der Auslasskammer 6 ist zwischen der festen Spirale 3 und dem Gehäuseelement 2 eine Dichtung 4 angeordnet. Die Auslasskammer 6 geht im oberen Bereich in einen Auslasskammerkanal 8 über, welcher in die Ölabscheidekammer 9 mündet. Diese besitzt im oberen Bereich den Kältemittelhochdruckausgang 10 und im unteren Bereich den Ölsammelbereich 13. Im Ölsammelbereich 13 beginnt der Ölrückführkanal 12, in welchen der Auslasskammerablauf 11 aus der Auslasskammer 6 mündet.
Somit kann das bereits in der Auslasskammer 6 ungewollt bei bestimmten Betriebsbedingungen abgeschiedene Öl über den Auslasskammerablauf 11 direkt in den Ölrückführkanal 12 gelangen und dem Ölkreislauf bei allen Betriebsbedingungen erhalten bleiben. Insbesondere auch dann, wenn nur geringere Volumenströme bei relativ niedrigen Drehzahlen gefördert werden. Der Ölrückführkanal 12 verläuft zunächst im Gehäuseelement 2 zur festen Spirale 3 und verläuft in dieser weiter, wobei zur Abdichtung des Übergangs vom Gehäuseelement 2 zur festen Spirale 3 eine Dichtung 4 entsprechend in diesem Bereich angeordnet ist.
In der Auslasskammer 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel das Auslasskammerventil 7 angeordnet, welches den Massenstrom des Kältemittel-Öl-Gemisches aus dem Verdichterauslass 5 regelt.
In den 2A, B, C, D, E und F ist ein Gehäuseelement 2 dargestellt, in welchem ein Auslasskammerablauf als Kanal 17 ausgeführt ist.
2A zeigt das Gehäuseelement 2 im Querschnitt in axialer Ansicht mit einem gekennzeichneten Schnitt A-A, welcher in 2B dargestellt ist.
Das Detail B aus 2B ist in 2C schließlich vergrößert dargestellt. Dabei ist nach dieser Ausgestaltung der Erfindung eine Düsengeometrie des Kanals 17 in das Material des Gehäuseelements 2 eingearbeitet. Zur Visualisierung des Düsenelements ist eine andere Schraffur gewählt, wobei das Düsenelement selbst Teil des Grundmaterials ist. Die variable Düsendicke t entspricht der Durchflusslänge der Düse. Die Düsenposition kann im Bereich der Bohrungstiefe h des Kanals 17 entlang der Bohrungsachse angeordnet sein. Der Düsendurchmesser d_N und der Bohrungsdurchmesser d_B sind weiterhin schematisch in 2C bezeichnet. Die Anordnung der Düse sowie die Durchmesser von Kanal 17 und Düse sind entsprechend nach verwendetem Kältemittel, dem Öl sowie den Betriebsbedingungen variabel.
Es ist hervorzuheben, dass auch ein variabler Querschnitt entlang der Düsendicke t ausgestaltbar ist.
In 2D ist ein separates Düsenelement 19 gemäß Detail B basierend auf
2B dargestellt. Das separate Düsenelement 19 besitzt einen Durchmesser d_N. Die Düse kann reversibel austauschbar ausgestaltet werden und die äußere Geometrie und Form der Düse kann von der dargestellten Form abweichen. Vorteilhaft kann ein variabler Düsenquerschnitt entlang der Düsenlänge IN ausgebildet werden, wobei IN aufgrund der Düsengeometrie und verfügbarer Materialdicke unterschiedlich sein können. Die Düsenlänge IN erstreckt sich über den gesamten dünnen Düsendurchmesser d_N des Düsenelementes 19. Ein variabler Bohrungsdurchmesser für den Düsenzulauf d_B und den Düsenablauf d_TB sind in 2D gleichfalls gezeigt. Die Position t_N des Düsenelements 19 entlang der Bohrungstiefe h ist variabel. Das Düsenelement 19 kann beispielsweise in verschiedenen Befestigungsarten in der Bohrung fixiert werden, formschlüssig, werkstoffschlüssig oder kraftschlüssig. Abhängig von der Ausführung der formschlüssigen, werkstoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung kann die Position des Düsenelementes 19 über der Höhe h, der Bohrungstiefe vorgegeben werden.
In 2E ist eine direkt hergestellte Bohrung als Kanal 17 ausgeführt. Die Bohrungsdurchmesser d_B und der Düsenablauf d_TB können entsprechend variieren. Auch die Bohrtiefe t_B und t_TB können abhängig vom verfügbaren Platz angepasst werden. Ein variables Verhältnis zwischen t_TB und t_B und d_TB sind möglich, damit zum Beispiel der Strömungswiderstand oder der Massenstrom eingestellt werden können. Als allgemeine Anforderung gilt, dass d_B größer als d_TB und vorzugsweise d_B sehr viel größer als d_TB ausgestaltet sind.
Der Kanal 17 ist somit als Stufenbohrung zunächst mit dem Bohrungsdurchmesser d_B über die Länge der Bohrtiefe t_B und nachfolgend mit dem Durchmesser des Düsenablaufes d_TB über die Länge t_TB ausgestaltet.
Die Bohrung als Kanal 17 kann alternativ auch ohne Querschnittsverengung mit dem Durchmesser des Düsenablaufes d_tb ausgeführt werden. Über die gesamte Länge tB und t_tb liegt dann ein konstanter Bohrungsdurchmesser d_B vor.
2F zeigt eine Positionsbereichsangabe für die vorgenannte Ausgestaltung. Gezeigt ist das Gehäuseelement 2 und ein Ausschnitt der Dichtungsfläche 20 aus dem Dichtungsbereich 24 zwischen fester Spirale 3 und Gehäuse 2. Alle Versionen, beziehungsweise Varianten können auf der markierten Dichtungsfläche 20 positioniert werden. Weiterhin ist ein vollflächig ausgefüllter Bereich gezeigt, innerhalb dem die einzelnen Kanäle 17 ausgeführt sind. Wenn erforderlich, können Materialanhäufungen hinzugefügt werden, wenn die verfügbare Materialstärke nicht ausreicht. Diese zusätzliche Materialanhäufung muss eine Verbindung zum Hochdruckkanal ermöglichen.
Alle Versionen der in den 2A bis 2E gezeigten Varianten können senkrecht, parallel oder relativ geneigt zur gezeigten Ebene der Skizze 2F ausgeführt werden.
Die 3A bis G zeigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Dichtfläche im Gehäuseelement 2 oder in der festen Spirale 3 unterbrochenen, teilweise abgetragenen, beispielsweise weggeschnitten oder weggefräst ist. Die in den Figuren dargestellten Dichtungen 4 sind beispielsweise als O-Ringe, geformte Gummidichtungen und beschichtete beziehungsweise unbeschichtete Metalldichtungen ausgeführt.
Die 3A bis 3D zeigen Nuten in der Dichtfläche des Außengehäuses, des Gehäuseelementes 2.
In 3A sind die feste Spirale 3 und das Gehäuseelement 2 in axialer Ansicht dargestellt.
3B zeigt den Längsschnitt B-B durch die betreffende Region des Spiralverdichters 1.
In 3C ist das Detail C nun vergrößert dargestellt und die Nuttiefe t_G sowie die Dichtung 4 und die Schnittlinie D-D gezeigt.
3D zeigt schließlich den Schnitt D-D, wobei das Gehäuseelement 2 geschnitten ist und der Ölrückführkanal 12 gezeigt ist. Die Nut 22 besitzt die tangentiale Nutlänge L_R, der als Sektor dargestellt ist.
Die Nut 22 im Gehäuseelement 2 stellt die Verbindung von Auslasskammer 6 und Ölrückführkanal 12 her. Die Dichtung 4 wirkt nicht über die Breite der Nut 22. Der Wert von Nuttiefe t_G und der tangentialen Nutlänge I_R oder L_R ist variabel, wobei das Ziel darin besteht, keine großen Partikel durch den resultierenden Querschnitt der Nut 22 gelangen zu lassen. Die Nuttiefe t_G und die tangentiale Nutlänge I_R oder L_R definieren die erforderliche Durchflussbegrenzungscharakteristik. Die Position der Nut 22 kann im gesamten Dichtungsbereich 24 zur festen Spirale 3 frei gewählt werden, solange eine Verbindung zum Ölrückführkanal 12 möglich ist. Die Nut 22 kann durch Fräßen, als vorgegossenes oder geschmiedetes Merkmal oder durch eine andere Methode hergestellt werden.
Ergänzt wird die Darstellung in 3E, welche in einer anderen Ausgestaltung den Schnitt D-D zeigt. Dabei ist diese Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlitz in die Gehäusedichtungswand des Gehäuseelementes 2 zur festen Spirale 3 hin eingebracht ist. Die nicht dargestellte Nuttiefe t_G der Nut 22 ist variabel und groß im Vergleich zur Ausgestaltung nach 3D. Die variable tangentiale Nutlänge I_R ist klein im Vergleich zur Ausgestaltung nach 3D. Beide Abmessungen definieren wiederum entsprechend die erforderliche Durchflussbegrenzungscharakteristik. Die Position der als Schlitz ausgeführten Nut 22 kann im gesamten Dichtungsbereich 24 zur festen Spirale 3 hin frei gewählt werden, solange eine Verbindung zum Ölrückführkanal 12 gegeben ist. Der Schlitz kann wiederum durch Fräßen, als vorgegossenes oder geschmiedetes Merkmal oder durch eine andere Methode hergestellt werden.
In 3F sind das Detail C mit der Auslasskammer 6, dem Gehäuseelement 2 und der festen Spirale 3 sowie den Dichtungen 4 und der Nut 22 gezeigt, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Nut 22 in der festen Spirale 3 eingebracht beziehungsweise in dieser ausgebildet ist. Weiterhin ist der Schnitt E-E gezeigt, welcher durch die Dichtung 4 verläuft. Dabei liegt die die Auslasskammer 6 begrenzende Linie auf der gleichen Höhe wie die Dichtfläche des Gehäuseelemtes 2.
Die Nuttiefe t_G und die tangentiale Nutlänge I_R oder L_R sind variabel. Beide Werte werden so gewählt, dass die erforderliche Durchflussbegrenzungscharakteristik erreicht wird. Die Position der Nut 22 kann entlang der Dichtungslinie zwischen Gehäuseelement 2 und fester Spirale 3 frei gewählt werden, solange eine Verbindung zum Ölrückführkanal 12 erreicht werden kann. Die Nut 22 kann durch Fräßen, als vorgegossenes oder geschmiedetes Merkmal oder durch eine andere Methode hergestellt werden. Die Form der Nut 22 kann von der gezeigten Darstellung abweichen, ohne den Pfad des Erfindungsgedankens zu verlassen. In 3G ist der Schnitt E-E in der Dichtung 4 gezeigt, wobei die Nutlänge I_R in der Draufsicht in der festen Spirale 3 ausgebildet ist.
Die 4A und 4B zeigen eine weitere Ausgestaltung mit einer angepassten Dichtung 4.
In 4A ist das Detail C gezeigt mit der festen Spirale 3, dem Gehäuseelement 2 und der zwischen diesen ausgebildeten Auslasskammer 6 und dem Ölrückführkanal 12. Das entscheidende Merkmal ist die beschnittene Dichtung 4, welche zwischen der Auslasskammer 6 und dem Ölrückführkanal 12 derart beschnitten ist, so dass Öl aus der Auslasskammer 6 in den Ölrückführkanal 12 gelangen kann und die Dichtung 4 an der beschnittenen Stelle nicht wirkt sondern einen gezielten und kontrollierten Durchlass des Öls durch die Dichtung 4 beziehungsweise an der Dichtung 4 vorbei erlaubt.
Die Schnittlinie F-F wird in 4B im Detail vergrößert dargestellt. Dabei ist der Ausschnitt 23 in der Dichtung 4 dargestellt, wobei der Ausschnitt eine Dichtungsschnitttiefe tc aufweist. Die variable Dichtungsschnitttiefe tc kann auch durch eine Modifikation im Werkzeug erzeugt werden. Eine variable Schnittlänge entlang des Dichtungselementes gewährleistet, dass keine großen Partikel durch den resultierenden Querschnitt gelangen. Beide Werte sind so gewählt, dass die erforderliche Durchflussbegrenzungscharakteristik erreicht wird. Die Position wird entlang der gesamten Dichtungslinie zwischen Gehäuse und fester Spirale frei gewählt, solange eine Verbindung zum Ölrückführkanal 12 gegeben ist.
In 4C ist das Gehäuseelement 2 mit dem Ölrückführkanal 12 perspektivisch gezeigt.
Die 4D und 4E zeigen jeweils eine Dichtung 4, welche partiell für Öl durchlässig ist. Die Dichtung 4 kann als Dichtring, als Gummiformteil oder eine, beschichtete beziehungsweise unbeschichtete Metallsickendichtung ausgeführt sein. Die Tiefe und Länge des durchlässigen Abschnitts der Dichtung werden basierend auf Funktionstests so angepasst, dass die erforderliche Charakteristik erzielt wird. Der durchlässige Abschnitt der Dichtung 4 kann frei entlang der Dichtungslinie bewegt werden, solange eine Verbindung zum Ölrückführkanal 12 und/oder zum Auslasskanal möglich ist.
4D zeigt eine vollständig geschlitzte Dichtung 4 mit einem Ausschnitt 23. Der Ausschnitt 23 ist als Schlitz über die gesamte Dichtung 4 ausgeführt.
In 4E ist eine Ausführung der Dichtung 4 dargestellt, wo der Ausschnitt 23 nicht über die gesamte Höhe des Dichtungselements ausgeführt ist, im Gegensatz zu 4D. Eine Vergrößerung des Bereiches der Dichtung 4 mit dem Ausschnitt 23 ist in 4F dargestellt. Dabei ist die Dichtung 4 nur über eine Teilhöhe des Dichtelements beschnitten.
In den 5A, 5B und 5C sind Kanäle 17 zur Abführung des Öls aus der Auslasskammer 6 auf dem Dichtungsbereich 24 des Gehäuseelementes 2 ausgebildet.
In 5A ist das Gehäuseelement 2 gezeigt, in welchem die Auslasskammer 6 angeordnet ist. Der Kanal 17 verbindet die Auslasskammer 6 mit dem Ölrückführkanal 12. Der Kanal 17 weist eine Kanalbreite bc auf.
In 5B ist der Schnitt G-G aus 5A gezeigt, wobei in dieser Darstellung die Kanaltiefe tc gezeigt ist, welche der entsprechend vorangegangenem Ausführungsbeispiel der Dichtungsschnitttiefe entspricht.
Dabei ist eine variable Kanalkontur und/oder Kanalbreite bc und Kanaltiefe tc zur Einstellung der Strömungscharakteristik gewählt. Die Länge des Kanals 17 ist an die Hochdruckkammergeometrie angepasst. Die Herstellung des Kanals 17 erfolgt beispielsweise bei Gieß-, Schmiede- oder Bearbeitungsprozessen des Gehäuseelementes 2. Der Kanal 17 wird auch als Laminarströmungsdrossel ausgeführt, zum Beispiel mit einer flachen Spiralform oder mittels einer 3D-Spiralform.
In 5C ist der Kanal 17 als mäanderförmige Verbindung der Auslasskammer 6 mit dem Ölrückführkanal 12 im Gehäuseelement 2 dargestellt. Diese Ausgestaltung des Kanals 17 wird auch als Labyrinth bezeichnet, was auch eine mäanderförmige Ausgestaltung des Kanals 17 beinhaltet. Für die Ausgestaltungen des Kanals 17 im Gehäuseelement 2 oder als Labyrinth besteht eine alternative Ausführungsform darin, dass der Kanal 17 auch durch ein separates Teil, zum Beispiel einer Dichtung oder Spiraldüse, bereitgestellt werden kann. Das erforderliche Material zur Einbringung des Labyrinthkanals, wie in 5C gezeigt, muss innerhalb des Gehäuseelementes 2 zur Verfügung gestellt werden. Das Labyrinth kann über vorgefertigte Formen, geschmiedete Formen oder durch Bearbeitung hergestellt werden. Alle Eigenschaften, insbesondere die Möglichkeit als Laminarströmungsdrossel zu fungieren, gelten ebenfalls für diese Ausgestaltung.
Bezugszeichenliste

1: Spiralverdichter
2: Gehäuseelement
3: Feste Spirale
4: Dichtung
5: Verdichterauslass
6: Auslasskammer
7: Auslasskammerventil
8: Auslasskammerkanal
9: Ölabscheidekammer
10: Kältemittelhochdruckausgang
11: Auslasskammerablauf
12: Ölrückführkanal
13: Ölsammelbereich
14: Gegendruckkammer
15: Saugdruckkammer
16: Verdichterkammer
17: Kanal
18: Düsenartige Verengung
19: Düsenelement
20: Dichtungsfläche
22: Nut
23: Ausschnitt
24: Dichtungsbereich
t: Düsendicke
h: Bohrungstiefe
dB: Bohrungsdurchmesser
dN: Düsendurchmesser
IN: Düsenlänge
dTB: Düsenablauf
tTB tB: Bohrtiefe
tG: Nuttiefe
tN: Position Düsenelement
tB: Länge
IR, LR: Nutlänge
tc: Dichtungsschnitttiefe, Kanaltiefe
bC: Kanalbreite

Claims

Spiralverdichter (1) für Kältemittel-Öl-Gemische mit Ölrückführung, aufweisend ein Gehäuseelement (2) und eine feste Spirale (3), wobei das Gehäuseelement (2) mittels einer Dichtung (4) derart mit der festen Spirale (3) verbunden ist, dass zwischen dem Gehäuseelement (2) und der festen Spirale (3) eine Auslasskammer (6) ausgebildet ist, wobei zur Ölseparierung und Ölrückführung nach der Ausiasskammer (6) eine Ölabscheidekammer (9) mit einem Kältemittelhochdruckausgang (10) und einem Ölsammelbereich (13) sowie ein Ölrückführkanal (12) zu einer Saugdruckkammer (15) hin angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im geodätisch unteren Bereich der Auslasskammer (6) ein Auslasskammerablauf (11) für Öl in den Ölrückführkanal (12) der Ölabscheidekammer (9) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auslasskammer (6) ein Auslasskammerventil (7) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein in der festen Spirale (3) angeordneter Verdichterauslass (5) damit regelbar ist.
Spiralverdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im geodätisch oberen Bereich der Auslasskammer (6) ein Auslasskammerkanal (8) zur Verbindung mit der Ölabscheidekammer (9) für das Kältemittel-Öl-Gemisch ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölabscheidekammer (9) und der Ölrückführkanal (12) in das Gehäuseelement (2) integriert ausgebildet sind.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölrückführkanal (12) mindestens teilweise durch die feste Spirale (3) hindurch zur Saugdruckkammer (15) hin ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) als Kanal (17) im Gehäuseelement (2) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) als Bohrung im Gehäuseelement (2) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) als Stufenbohrung im Gehäuseelement (2) ausgebildet ist, wobei vor der Verbindung mit dem Ölrückführkanal (12) eine düsenartige Verengung (18) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal (17) ein separates Düsenelement (19) angeordnet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) als Nut (22) in der Dichtfläche des Gehäuseelementes (2) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) als Nut (22) in der Dichtfläche der festen Spirale (3) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) als Dichtung (4) mit Ausschnitt (23) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) als Kanal (17) in der Dichtfläche des Gehäuseelementes (2) ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) in der Dichtfläche des Gehäuseelementes (2) als Labyrinth oder mäanderförmig ausgebildet ist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) an der engsten Stelle einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt mit einem Durchmesser von 1,2 mm aufweist.
Spiralverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskammerablauf (11) an der engsten Stelle einen Strömungsquerschnitt von 1,131 mm² aufweist.