DE102022106259A1 - Device for cooling a fluid to be compressed in a compressor and compressor with the device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5) zum Kühlen eines in einem Verdichter (1) zu verdichtenden Fluids, insbesondere eines Kältemittels, mit einem Wärmeträgerfluid. Die Vorrichtung (10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5) weist mindestens einen ersten Strömungskanal (11, 11-1, 11-2, 11-5) zum Leiten des Fluids, mindestens einen zweiten Strömungskanal (12, 12-1, 12-2, 12-3, 12-5) zum Leiten des Wärmeträgerfluids sowie einen Einlass (13) und einen Auslass (14) für das Wärmeträgerfluid auf. Zudem ist ein Kernelement (15-1, 15-2, 15-3, 15-4, 15-5) derart ausgebildet, dass die Vorrichtung (10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5) mit dem Kernelement (15-1, 15-2, 15-3, 15-4, 15-5) als eine separate Komponente auf einer Längsachse (6) zwischen Gehäuseelementen (2c, 2d) eines modularen Verdichters (1) anordenbar oder in ein Gehäuse des Verdichters integrierbar ist. Die Erfindung betrifft zudem einen Verdichter zum Verdichten eines dampfförmigen Fluids, insbesondere des Kältemittels, mit der Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben des Verdichters. Der Verdichter kann im Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.The invention relates to a device (10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5) for cooling a fluid to be compressed in a compressor (1), in particular a refrigerant, with a heat transfer fluid. The device (10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5) has at least one first flow channel (11, 11-1, 11-2, 11-5) for conducting the fluid, at least one second flow channel (12, 12-1, 12-2, 12-3, 12-5) for conducting the heat transfer fluid and an inlet (13) and an outlet (14) for the heat transfer fluid. In addition, a core element (15-1, 15-2, 15-3, 15-4, 15-5) is designed in such a way that the device (10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5) with the core element (15-1, 15-2, 15-3, 15-4, 15-5) as a separate component on a longitudinal axis (6) between housing elements (2c, 2d) of a modular compressor (1 ) can be arranged or integrated into a housing of the compressor. The invention also relates to a compressor for compressing a vaporous fluid, in particular the refrigerant, with the device and a method for operating the compressor. The compressor can be used in the refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines in einem Verdichter zu verdichtenden Fluids, insbesondere eines Kältemittels, mit einem Wärmeträgerfluid. Die Vorrichtung weist einen ersten Strömungskanal zum Leiten des im Verdichter zu verdichtenden Fluids, einen zweiten Strömungskanal zum Leiten des Wärmeträgerfluids sowie einen Einlass und einen Auslass für das Wärmeträgerfluid auf. Die Erfindung betrifft zudem einen Verdichter zum Verdichten eines dampfförmigen Fluids, insbesondere des Kältemittels, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Verdichters. Der Verdichter kann im Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.The invention relates to a device for cooling a fluid to be compressed in a compressor, in particular a refrigerant, with a heat transfer fluid. The device has a first flow channel for conducting the fluid to be compressed in the compressor, a second flow channel for conducting the heat transfer fluid, and an inlet and an outlet for the heat transfer fluid. The invention also relates to a compressor for compressing a vaporous fluid, in particular the refrigerant, and a method for operating the compressor. The compressor can be used in the refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle.
Aus dem Stand der Technik sind Verdichter für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf, auch als Kältemittelverdichter bezeichnet, bekannt. Derartige Verdichter werden entweder über eine Riemenscheibe, welche über einen Riemen mit einem Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs verbunden ist, oder elektrisch angetrieben und werden unabhängig vom Kältemittel oft als Kolbenverdichter mit variablem Hubvolumen oder als Scrollverdichter ausgebildet.Compressors for mobile applications, in particular for air conditioning systems in motor vehicles, for conveying refrigerant through a refrigerant circuit, also referred to as refrigerant compressors, are known from the prior art. Such compressors are driven either via a belt pulley, which is connected to a drive unit of the motor vehicle via a belt, or electrically and are often designed as piston compressors with variable displacement or as scroll compressors, regardless of the refrigerant.
So weisen beispielsweise herkömmliche, elektrisch angetriebene Scrollverdichter einen Elektromotor zum Antreiben eines Verdichtungsmechanismus auf. Der Elektromotor sowie der mit einer feststehenden und einer orbitierenden Spirale ausgebildete Verdichtungsmechanismus sind innerhalb eines von einem Gehäuse umschlossenen Volumens angeordnet. Dabei kann das Gehäuse mehrteilig, insbesondere aus einem Gehäuseelement zur Aufnahme des Elektromotors und einem Gehäuseelement zur Aufnahme des Verdichtungsmechanismus, sowie vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminium, ausgebildet sein. Die orbitierende Spirale des Verdichtungsmechanismus, in welchem ein dampfförmiges Fluid, speziell ein Kältemittel, verdichtet wird, wird über eine mit dem Elektromotor verbundene Antriebswelle angetrieben.For example, conventional electrically driven scroll compressors have an electric motor for driving a compression mechanism. The electric motor and the compression mechanism formed with a fixed scroll and an orbiting scroll are arranged within a volume enclosed by a housing. The housing can be multi-part, in particular made of a housing element for accommodating the electric motor and a housing element for accommodating the compression mechanism, and preferably made of a metal, in particular aluminum. The orbiting scroll of the compression mechanism, in which a vaporous fluid, specifically a refrigerant, is compressed, is driven by a drive shaft connected to the electric motor.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten, elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichtern werden sowohl der Elektromotor als auch die dazugehörigen Steuerelemente beziehungsweise Leistungselektronik mittels des in das Gehäuse angesaugten Kältemittels, auch als Sauggas bezeichnet, gekühlt. Zudem wird an das derart erwärmte Sauggas durch Wärmeleitung innerhalb der Wandung des Gehäuses weitere Wärme übertragen, bevor das Sauggas in den Verdichtungsmechanismus einströmt und anschließend im Verdichtungsmechanismus verdichtet wird.In the case of the electrically driven refrigerant compressors known from the prior art, both the electric motor and the associated control elements or power electronics are cooled by means of the refrigerant sucked into the housing, also referred to as suction gas. In addition, further heat is transferred to the suction gas heated in this way by thermal conduction within the wall of the housing before the suction gas flows into the compression mechanism and is then compressed in the compression mechanism.
Die vom Kältemittel aufgenommene Wärme hat Einfluss auf die Dichte des angesaugten Kältemittels und damit auf den Wirkungsgrad beim Betrieb des Verdichters. Je mehr Wärme an das Kältemittel vor dem Eintritt in den Verdichtungsmechanismus übertragen wird, umso höher sind die Temperatur sowie das spezifische Volumen und umso geringer ist die Dichte des Kältemittels im Ansaugzustand. Eine höhere Temperatur des angesaugten Kältemittels bewirkt zudem eine höhere Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters. Die höheren Temperaturen des Kältemittels am Auslass des Verdichters bewirken wiederum eine intensivere Wärmeleitung innerhalb der Wandung des Gehäuses und damit eine stärkere Erwärmung des Sauggases.The heat absorbed by the refrigerant affects the density of the refrigerant sucked in and thus the efficiency of the compressor's operation. The more heat is transferred to the refrigerant before it enters the compression mechanism, the higher the temperature and specific volume and the lower the density of the refrigerant in the suction condition. A higher temperature of the sucked-in refrigerant also causes a higher temperature of the refrigerant at the outlet of the compressor. The higher temperatures of the refrigerant at the outlet of the compressor in turn cause more intensive heat conduction within the wall of the housing and thus greater heating of the suction gas.
So kann beispielsweise beim Verdichten von Kohlenstoffdioxid als Kältemittel die Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters bis zu 175°C betragen, was sehr hohe Anforderungen an die Kältemittelleitungen, insbesondere die flexiblen Kältemittelleitungen, am Auslass des Verdichters stellt.For example, when compressing carbon dioxide as a refrigerant, the temperature of the refrigerant at the outlet of the compressor can be up to 175°C, which places very high demands on the refrigerant lines, in particular the flexible refrigerant lines, at the outlet of the compressor.
Um temperaturkritische Komponenten, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, zu schützen, wird bei einer zu hohen Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters, speziell beim Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur, die Leistungsaufnahme des elektrisch angetriebenen Verdichters reduziert. Folglich wird der Kältemittelkreislauf, insbesondere beim Einsatz von Kohlenstoffdioxid als Kältemittel, leistungsgeregelt beziehungsweise abgeregelt.
Die Abregelung der Leistung des Verdichters führt beim Einsatz des Verdichters in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs wiederum zu einer wahrnehmbaren Reduzierung eines thermischem Komforts innerhalb des Fahrgastraums.In order to protect temperature-critical components, in particular the refrigerant circuit, the power consumption of the electrically driven compressor is reduced when the temperature of the refrigerant at the outlet of the compressor is too high, especially when a predetermined limit temperature is exceeded. As a result, the refrigerant circuit, especially when using carbon dioxide as a refrigerant, is power-controlled or limited.
When the compressor is used in a refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle, the regulation of the output of the compressor in turn leads to a perceptible reduction in thermal comfort within the passenger compartment.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Kühlen eines in einem Verdichter zu verdichtenden Fluids, speziell eines dampfförmigen Fluids als Kältemittel in einem Kältemittelverdichter. Der Verdichter soll insbesondere unter Vermeidung einer Abregelung der Leistung infolge zu hoher Temperaturen des verdichteten Fluids mit maximalem Wirkungsgrad betreibbar sein. Die vom Fluid abgeführte Wärme soll innerhalb eines angeschlossenen Systems, beispielsweise eines Klimatisierungssystems beziehungsweise eines Thermomanagamentsystems eines Kraftfahrzeugs, nutzbar sein. Die Vorrichtung soll einen minimalen Bauraum aufweisend und kompakt ausgebildet sowie auf einfache Weise kostengünstig herzustellen sein.The object of the invention is to provide a device for cooling a fluid to be compressed in a compressor, specifically a vaporous fluid as refrigerant in a refrigerant compressor. The compressor should be able to be operated with maximum efficiency, in particular while avoiding derating of the output due to excessively high temperatures of the compressed fluid. The heat removed from the fluid should be usable within a connected system, for example an air conditioning system or a thermal management system of a motor vehicle. The device should have a minimum installation space and be of compact design and be able to be produced in a simple manner and at low cost.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is solved by the objects with the features of the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen eines in einem Verdichter zu verdichtenden Fluids, insbesondere eines Kältemittels, mit einem Wärmeträgerfluid gelöst. Die Vorrichtung weist mindestens einen ersten Strömungskanal zum Leiten des im Verdichter zu verdichtenden Fluids, mindestens einen zweiten Strömungskanal zum Leiten des Wärmeträgerfluids sowie einen Einlass und einen Auslass für das Wärmeträgerfluid auf.The object is achieved by a device according to the invention for cooling a fluid to be compressed in a compressor, in particular a refrigerant, with a heat transfer fluid. The device has at least one first flow channel for conducting the fluid to be compressed in the compressor, at least one second flow channel for conducting the heat transfer fluid, and an inlet and an outlet for the heat transfer fluid.
Nach der Konzeption der Erfindung ist ein Kernelement derart ausgebildet, dass die Vorrichtung zum Kühlen des verdichteten Fluids mit dem Kernelement als eine separate Komponente auf einer Längsachse zwischen zwei Gehäuseelementen eines modularen Verdichters anordenbar oder in ein Gehäuse des Verdichters integrierbar ist. Da die Vorrichtung insbesondere zum Kühlen des bereits verdichteten Fluids vorgesehen ist, ist die Vorrichtung in Strömungsrichtung des Fluids im montierten Zustand des Verdichters im Anschluss an einen Verdichtungsmechanismus angeordnet.
Die Anordnung zwischen zwei Gehäuseelementen eines modularen Verdichters ermöglicht ein Nachrüsten der Vorrichtung in herkömmliche Verdichter.According to the conception of the invention, a core element is designed such that the device for cooling the compressed fluid with the core element can be arranged as a separate component on a longitudinal axis between two housing elements of a modular compressor or can be integrated into a housing of the compressor. Since the device is provided in particular for cooling the already compressed fluid, the device is arranged in the flow direction of the fluid in the assembled state of the compressor following a compression mechanism.
The arrangement between two housing elements of a modular compressor allows the device to be retrofitted in conventional compressors.
Die äußeren Konturen sowie Abmessungen des Kernelements und der Gehäuseelemente können miteinander korrespondieren. Dabei stimmen die äußeren Konturen sowie Abmessungen des Kernelements und der Gehäuseelemente vorzugsweise überein.The outer contours and dimensions of the core element and the housing elements can correspond to one another. The outer contours and dimensions of the core element and the housing elements preferably match.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Kernelement die Form einer Platte, insbesondere einer Scheibe, auf. Der Einlass und der Auslass des Wärmeträgerfluids sind bevorzugt jeweils als ein Stutzen ausgebildet und an einer äußeren Mantelfläche des Kernelements angeordnet.
Das Kernelement weist vorzugsweise mindestens eine in Richtung der Längsachse, welche einer Symmetrieachse der Platte beziehungsweise Scheibe entspricht, verlaufende Durchlassöffnung für das verdichtete Fluid auf.According to a development of the invention, the core element is in the form of a plate, in particular a disk. The inlet and the outlet of the heat transfer fluid are preferably each designed as a socket and arranged on an outer surface of the core element.
The core element preferably has at least one passage opening for the compressed fluid running in the direction of the longitudinal axis, which corresponds to an axis of symmetry of the plate or disk.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Kernelement im Bereich eines Außenumfangs mit einer konstanten Wandstärke in Richtung der Längsachse und an mindestens einer seitlichen Oberfläche in einem Zentrum der Oberfläche mit einer flächigen Vertiefung gleichmäßiger Tiefe in Richtung der Längsachse ausgebildet. Unter einer flächigen Vertiefung wird dabei eine in Richtung der Längsachse zur äußeren seitlichen Oberfläche nach innen, in Richtung der Längsachse versetzte Oberfläche verstanden. Die Ebenen, in welchen die äußere seitliche Oberfläche und die Oberfläche der Vertiefung aufgespannt sind, sind parallel zueinander ausgerichtet und beabstandet voneinander angeordnet.
Alternativ kann das Kernelement als ein an einem Außenumfang umlaufender Ring mit einer im Zentrum ausgebildeten Struktur aus gestapelten blechförmigen Platten ausgebildet sein.According to a preferred embodiment of the invention, the core element is formed in the area of an outer circumference with a constant wall thickness in the direction of the longitudinal axis and on at least one lateral surface in a center of the surface with a flat depression of uniform depth in the direction of the longitudinal axis. A flat depression is understood to mean a surface that is offset inward in the direction of the longitudinal axis with respect to the outer lateral surface, in the direction of the longitudinal axis. The planes in which the outer lateral surface and the surface of the depression are spanned are aligned parallel to one another and arranged at a distance from one another.
Alternatively, the core element can be designed as a ring running around on an outer circumference with a structure made of stacked sheet-metal plates in the center.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Kernelement an der mindestens einen seitlichen Oberfläche Ausnehmungen aufweist, welche sich jeweils von der Oberfläche ausgehend in das Kernelement hinein erstrecken. Die Ausnehmungen sind dabei insbesondere an der mindestens einen seitlichen Oberfläche im Bereich der flächigen Vertiefung ausgebildet.One advantage of the invention is that the core element has recesses on the at least one lateral surface, each of which extends from the surface into the core element. The recesses are formed in particular on the at least one lateral surface in the area of the flat depression.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein plattenförmiges, insbesondere scheibenförmiges Zwischenelement vorgesehen, welches in einer senkrecht zur Längsachse aufgespannten Ebene mit einer ersten Seite an der mindestens einen seitlichen Oberfläche des Kernelements anliegt und die Ausnehmungen fluiddicht abdeckt. Das plattenförmige Zwischenelement weist vorzugsweise ebene Oberflächen auf.
Dabei bilden die mit dem Zwischenelement abgedeckten Ausnehmungen die zweiten Strömungskanäle des Wärmeträgerfluids aus. Die zweiten Strömungskanäle erstrecken sich bevorzugt jeweils von einer mit dem Einlass verbundenen Einlassverteilung zu einer mit dem Auslass verbundenen Auslassmündung und sind parallel mit Wärmeträgerfluid beaufschlagbar.According to a development of the invention, at least one plate-shaped, in particular disc-shaped, intermediate element is provided, which rests in a plane perpendicular to the longitudinal axis with a first side on the at least one lateral surface of the core element and covers the recesses in a fluid-tight manner. The plate-shaped intermediate element preferably has flat surfaces.
The recesses covered with the intermediate element form the second flow channels of the heat transfer fluid. The second flow channels preferably each extend from an inlet distributor connected to the inlet to an outlet opening connected to the outlet and can be acted upon in parallel with heat transfer fluid.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung korrespondieren die äußeren Konturen und Abmessungen des mindestens einen Zwischenelements und der mindestens einen Vertiefung miteinander, sodass das Zwischenelement innerhalb der Vertiefung angeordnet ist. Das mindestens eine Zwischenelement kann insbesondere die Form eines ebenen, kreisrunden Bleches und die mindestens eine Vertiefung die Form eines Kreises aufweisen. Dabei können ein Außendurchmesser des Zwischenelements einem Außendurchmesser der Vertiefung zuzüglich eines Spiels zur Montage und eine Ausdehnung der Vertiefung in Richtung der Längsachse einer Wandstärke des Zwischenelements entsprechen.
Bei der alternativen Ausgestaltung des Kernelements als ein am Außenumfang umlaufender Ring mit einer im Zentrum ausgebildeten Struktur aus gestapelten blechförmigen Platten können die äußeren Konturen und Abmessungen des mindestens einen Zwischenelements und einer inneren Mantelfläche des am Außenumfang umlaufenden Rings des Kernelements miteinander korrespondierend ausgebildet sein.According to a further advantageous embodiment of the invention, the outer contours and dimensions of the at least one intermediate element and the at least one depression correspond to one another, so that the intermediate element is arranged within the depression. The at least one intermediate element can in particular have the shape of a flat, circular metal sheet and the at least one depression can have the shape of a circle. An outer diameter of the intermediate element can correspond to an outer diameter of the depression plus a clearance for assembly and an expansion of the depression in the direction of the longitudinal axis can correspond to a wall thickness of the intermediate element.
In the alternative configuration of the core element as a ring running around the outer circumference with a structure made of stacked sheet-metal plates in the center, the outer contours and dimensions of the at least one intermediate element and an inner lateral surface of the ring running around the outer circumference of the core element can be designed to correspond to one another.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das mindestens eine Zwischenelement mindestens eine in Richtung der Längsachse verlaufende Durchlassöffnung für das verdichtete Fluid aufweist.A further advantage of the invention is that the at least one intermediate element has at least one passage opening for the compressed fluid running in the direction of the longitudinal axis.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein plattenförmiges Außenelement mit Ausformungen ausgebildet, welches in einer senkrecht zur Längsachse aufgespannten Ebene an einer zweiten Seite des mindestens einen Zwischenelements anliegt. Dabei sind die im Außenelement ausgebildeten Ausformungen vom Zwischenelement - möglichst fluiddicht - derart abgedeckt, dass die ersten Strömungskanäle ausgebildet sind.According to a further development of the invention, at least one plate-shaped outer element is formed with formations, which rests on a second side of the at least one intermediate element in a plane spanned perpendicularly to the longitudinal axis. The formations formed in the outer element are covered by the intermediate element—as fluid-tight as possible—in such a way that the first flow channels are formed.
Das Kernelement ist insbesondere an beiden seitlichen Oberflächen im Zentrum jeweils mit einer Vertiefung gleichmäßiger Tiefe in Richtung der Längsachse und Ausnehmungen versehen. Dabei sind die Ausnehmungen jeweils durch ein in der Vertiefung angeordnetes Zwischenelement mit jeweils einer ersten Seite des Zwischenelements fluiddicht abgedeckt. Zudem liegt jeweils an den zweiten Seiten der Zwischenelemente ein Außenelement mit Ausformungen an, sodass die im Außenelement ausgebildeten Ausformungen vom Zwischenelement - möglichst fluiddicht - abgedeckt sind.The core element is provided in particular on both lateral surfaces in the center with a depression of uniform depth in the direction of the longitudinal axis and recesses. The recesses are each covered in a fluid-tight manner by an intermediate element arranged in the recess, each having a first side of the intermediate element. In addition, an outer element with formations rests on the second side of the intermediate elements, so that the formations formed in the outer element are covered by the intermediate element—as fluid-tight as possible.
Bei der Vorrichtung zum Kühlen des im Verdichter zu verdichtenden Fluids handelt es sich vorteilhaft um einen gestapelten Plattenwärmeübertrager mit einer durch die Anzahl der gestapelten Platten skalierbaren Leistung und definierten Größe. Die Vorrichtung ist vorzugsweise als eine gelötete oder geschweißte, insbesondere lasergeschweißte Komponente aus stranggepressten und geformten Elementen aus einem Aluminium ausgebildet. Dabei kann auf zusätzliche Dichtungselemente zwischen dem Wärmeträgerfluidkreislauf und dem im Verdichter zu verdichtenden Fluid verzichtet werden.
Innerhalb der Vorrichtung werden das Wärmeträgerfluid und das im Verdichter zu verdichtende Fluid bevorzugt in einem Gegenstrom oder einem Kreuzgegenstrom geführt.
Als Wärmeträgerfluid kann ein Kühlmittel oder das im Verdichter zu verdichtende Fluid, insbesondere das Kältemittel, eingesetzt werden. Beim Einsatz eines Kühlmittels als Wärmeträgerfluid ist die Vorrichtung als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet. Bei einer Verwendung des Kältemittels als Wärmeträgerfluid entspricht die Vorrichtung einem Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager, welcher dann beispielsweise als ein kreislaufinterner Wärmeübertrager betrieben wird.The device for cooling the fluid to be compressed in the compressor is advantageously a stacked plate heat exchanger with a capacity that can be scaled by the number of stacked plates and a defined size. The device is preferably designed as a soldered or welded, in particular laser-welded, component made of extruded and formed elements made of aluminum. In this way, additional sealing elements between the heat transfer fluid circuit and the fluid to be compressed in the compressor can be dispensed with.
Within the device, the heat transfer fluid and the fluid to be compressed in the compressor are preferably conducted in a countercurrent or a cross-countercurrent.
A coolant or the fluid to be compressed in the compressor, in particular the refrigerant, can be used as the heat transfer fluid. When a coolant is used as the heat transfer fluid, the device is designed as a refrigerant/coolant heat exchanger. If the refrigerant is used as a heat transfer fluid, the device corresponds to a refrigerant-refrigerant heat exchanger, which is then operated, for example, as a circuit-internal heat exchanger.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind ein erstes Außenelement mit einer Einlassöffnung und ein zweites Außenelement mit einer Auslassöffnung für das verdichtete Fluid ausgebildet.
Das erste Außenelement kann mindestens eine Verzweigung derart aufweisen, dass sich die ersten Strömungskanäle jeweils von der Einlassöffnung zu mindestens einer Verzweigung erstrecken und parallel zueinander mit Fluid beaufschlagt sind. Das zweite Außenelement kann mindestens eine Verzweigung derart aufweisen, dass sich die ersten Strömungskanäle jeweils von mindestens einer Verzweigung zur Auslassöffnung erstrecken und parallel zueinander mit Fluid beaufschlagt sind.According to a further preferred embodiment of the invention, a first outer element is formed with an inlet opening and a second outer element is formed with an outlet opening for the compressed fluid.
The first outer element can have at least one branch such that the first flow channels each extend from the inlet opening to at least one branch and are supplied with fluid parallel to one another. The second outer element can have at least one branch such that the first flow channels each extend from at least one branch to the outlet opening and are supplied with fluid parallel to one another.
Die mindestens eine im Kernelement ausgebildete Durchlassöffnung für das verdichtete Fluid, die mindestens eine im Zwischenelement ausgebildete Durchlassöffnung für das verdichtete Fluid sowie die im ersten Außenelement vorgesehene mindestens eine Verzweigung und die im zweiten Außenelement vorgesehene mindestens eine Verzweigung sind insbesondere fluchtend zueinander und damit entlang einer Achse angeordnet, sodass das verdichtete Fluid aus der Verzweigung des ersten Außenelements ausströmt und ohne Umlenkungen auf geradlinigem Strömungsweg durch die Durchlassöffnungen des Zwischenelements und des Kernelements in die Verzweigung des zweiten Außenelements einströmt.
Bei einer Ausbildung von mehr als einer Verzweigung innerhalb der Außenelemente ist jeder Verzweigung des ersten Außenelements eine Durchlassöffnung im Zwischenelement, eine Durchlassöffnung im Kernelement sowie eine Verzweigung im zweiten Außenelement zugeordnet. Bei der Ausbildung von mehr als einem Zwischenelement ist jedes Zwischenelement mit entsprechenden Durchlassöffnungen versehen.The at least one passage opening for the compressed fluid formed in the core element, the at least one passage opening for the compressed fluid formed in the intermediate element and the at least one branch provided in the first outer element and the at least one branch provided in the second outer element are in particular aligned with one another and thus along an axis arranged so that the compressed fluid flows out of the branch of the first outer element and flows without deflections on a straight flow path through the passage openings of the intermediate element and the core element into the branch of the second outer element.
If more than one branch is formed within the outer elements, each branch of the first outer element is assigned a passage opening in the intermediate element, a passage opening in the core element and a branch in the second outer element. If more than one intermediate element is formed, each intermediate element is provided with corresponding passage openings.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Kernelement hohlkreiszylinderförmig ausgebildet. Dabei sind vorzugsweise innerhalb des Kernelements ein hohlkreiszylinderförmiges Wandelement und innerhalb des Wandelements ein zylinderförmiges Zentralelement angeordnet, welche zur Längsachse koaxial ausgerichtet sind. Ein Durchmesser einer inneren Mantelfläche des Kernelements kann mit einem Durchmesser einer äußeren Mantelfläche des Wandelements korrespondieren, während ein Durchmesser einer inneren Mantelfläche des Wandelements mit einem Durchmesser einer Mantelfläche des Zentralelements korrespondieren kann, sodass die jeweiligen Mantelflächen fluiddicht aneinander anliegen.According to an alternative embodiment of the invention, the core element is designed in the shape of a hollow circular cylinder. A wall element in the form of a hollow circular cylinder and a cylindrical central element are preferably arranged inside the core element and are aligned coaxially with the longitudinal axis. A diameter of an inner lateral surface of the core element can correspond to a diameter of an outer lateral surface of the wall element, while a diameter of an inner lateral surface of the wall element can correspond to a diameter of a lateral surface of the central element, so that the respective lateral surfaces abut against one another in a fluid-tight manner.
Das Wandelement weist vorteilhaft an der äußeren Mantelfläche eine Ausnehmung für den zweiten Strömungskanal des Wärmeträgerfluids auf. Alternativ kann die Ausnehmung für den zweiten Strömungskanal auch an der inneren Mantelfläche des Kernelements ausgebildet sein.
Das Wandelement weist bevorzugt an der inneren Mantelfläche eine Ausnehmung für den ersten Strömungskanal auf. Alternativ kann die Ausnehmung für den ersten Strömungskanal auch an der Mantelfläche des Zentralelements vorgesehen sein.The wall element advantageously has a recess for the second flow channel of the heat transfer fluid on the outer lateral surface on. Alternatively, the recess for the second flow channel can also be formed on the inner lateral surface of the core element.
The wall element preferably has a recess for the first flow channel on the inner lateral surface. Alternatively, the recess for the first flow channel can also be provided on the lateral surface of the central element.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Ausnehmungen der Strömungskanäle in Form einer in Umfangsrichtung verlaufenden wendelförmigen Nut, insbesondere einer axialen Spirale ausgebildet sind, deren Einlass und Auslass in Richtung der Längsachse voneinander beabstandet sind.A further advantage of the invention is that the recesses of the flow channels are designed in the form of a helical groove running in the circumferential direction, in particular an axial spiral, the inlet and outlet of which are spaced apart from one another in the direction of the longitudinal axis.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Kernelements ein Steuerelement, insbesondere ein Ventil, zum Steuern des Wärmeträgerfluidmassenstroms durch die Vorrichtung integriert.According to a further preferred embodiment of the invention, a control element, in particular a valve, for controlling the heat transfer fluid mass flow through the device is integrated within the core element.
Die Aufgabe wird auch durch einen erfindungsgemäßen Verdichter zum Verdichten eines dampfförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, gelöst. Der Verdichter weist ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete Antriebsvorrichtung sowie einen von der Antriebsvorrichtung angetriebenen Verdichtungsmechanismus auf.The object is also achieved by a compressor according to the invention for compressing a vaporous fluid, in particular a refrigerant. The compressor has a housing, a drive device arranged in the housing, and a compression mechanism driven by the drive device.
Nach der Konzeption der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Fluids nach dem Verdichtungsmechanismus eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen des Fluids ausgebildet. Der Verdichter weist folglich einen integrierten Wärmeübertrager auf.According to the conception of the invention, a device according to the invention for cooling the fluid is formed downstream of the compression mechanism in the direction of flow of the fluid. Consequently, the compressor has an integrated heat exchanger.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Verdichtungsmechanismus eine orbitierende Spirale und eine feststehende Spirale auf. Dabei ist die insbesondere zwischen einem Auslass des Fluids aus der feststehenden Spirale und einem Auslass des Verdichters angeordnete Vorrichtung zum Kühlen des Fluids als eine separate Komponente zwischen auf einer Längsachse angeordneten Gehäuseelementen des Gehäuses oder in das Gehäuse des Verdichters integriert oder als eine Komponente der feststehenden Spirale ausgebildet. Bei der Ausbildung der Vorrichtung als eine Komponente der feststehenden Spirale werden die feststehende Spirale und damit das innerhalb der Spirale geförderte Fluid während der Verdichtung direkt gekühlt.According to a development of the invention, the compression mechanism has an orbiting scroll and a fixed scroll. The device for cooling the fluid, which is arranged in particular between an outlet of the fluid from the fixed scroll and an outlet of the compressor, is integrated as a separate component between housing elements of the housing arranged on a longitudinal axis or in the housing of the compressor, or as a component of the fixed scroll educated. When the device is formed as a component of the fixed scroll, the fixed scroll and thus the fluid conveyed within the scroll are directly cooled during compression.
Die Vorrichtung zum Kühlen des Fluids weist vorzugsweise eine Ausdehnung in Richtung der Längsachse im Bereich von 25 mm bis 30 mm auf, sodass der Bauraum des Verdichters durch Integration der Vorrichtung nur unwesentlich vergrößert wird.The device for cooling the fluid preferably has an extension in the direction of the longitudinal axis in the range of 25 mm to 30 mm, so that the installation space of the compressor is increased only insignificantly by integrating the device.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Kühlen des Fluids innerhalb eines unter einem Hochdruckniveau des Fluids beaufschlagten Volumens angeordnet, sodass ein innerhalb des ersten Strömungskanals zum Leiten des Fluids vorherrschender Druck und ein innerhalb eines Volumens, welches an einer den Strömungskanal begrenzenden Wandung von außen angrenzt, vorherrschender Druck im Wesentlich gleich groß sind. Die geringe Druckdifferenz über der den Strömungskanal begrenzenden Wandung erfordert nur eine sehr geringe Wandstärke der Außenelemente. Lediglich die den zweiten Strömungskanal zum Leiten des Wärmeträgerfluids umschließende Wandung ist derart robust auszulegen, dem Hochdruck des Fluids standzuhalten.According to an advantageous embodiment of the invention, the device for cooling the fluid is arranged within a volume subjected to a high-pressure level of the fluid, so that a pressure prevailing within the first flow channel for conducting the fluid and a pressure within a volume which is at a wall delimiting the flow channel of externally adjacent, prevailing pressures are essentially the same. The low pressure difference over the wall delimiting the flow channel requires only a very small wall thickness of the outer elements. Only the wall enclosing the second flow channel for conducting the heat transfer fluid has to be designed to be robust enough to withstand the high pressure of the fluid.
Die Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Verdichters gelöst. Dabei wird eine Leistung der Vorrichtung zum Kühlen des im Verdichter zu verdichtenden Fluids über einen Wärmeträgerfluidmassenstrom durch die Vorrichtung und eine Vorlauftemperatur des Wärmeträgerfluids geregelt, sodass ein Austrittszustand des verdichteten Fluids an einem Auslass des Verdichters unabhängig von einem Betriebszustand des Verdichters eingestellt wird.The object is also achieved by a method according to the invention for operating the compressor. In this case, a performance of the device for cooling the fluid to be compressed in the compressor is regulated by the device via a heat transfer fluid mass flow and a flow temperature of the heat transfer fluid, so that an exit state of the compressed fluid at an outlet of the compressor is set independently of an operating state of the compressor.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des Verdichters für ein Kältemittel eines Kältemittelkreislaufs eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.The advantageous embodiment of the invention allows the use of the compressor for a refrigerant of a refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen eines in einem Verdichter zu verdichtenden Fluids beziehungsweise der erfindungsgemäße Verdichter zum Verdichten eines dampfförmigen Fluids mit der Vorrichtung weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile gegenüber den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik auf:
- - Reduktion der mittleren Verdichtertemperatur, insbesondere der Temperatur des verdichteten Fluids am Auslass des Verdichters ohne Reduktion der Leistung im Kältemittelkreislauf - beispielsweise liegt die Temperatur am Auslass des Verdichters mit Kohlenstoffdioxid als Kältemittel unter 100°C anstelle von 175 °C ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch
- - reduzierte Temperaturanforderung an Kältemittelleitungen im Kreislauf, insbesondere nach dem Verdichter, verbunden mit dem Senken der Systemkosten durch den Einsatz von Niedertemperaturkältemittelleitungen auf der Hochdruckseite des Kreislaufs,
- - Erhöhen des volumetrischen und des isentropen Wirkungsgrades, (insbesondere bei Kühlung der feststehenden Spirale im Scrollverdichter)
- - höhere Kälteleistung im System beziehungsweise geringere Antriebsleistung des Verdichters bei vergleichbaren Kälteleistungen, beispielsweise Steigern des Massenstroms um 4 % bei Reduktion der Antriebsleistung um 6 % mit Kohlenstoffdioxid als zu verdichtendes Fluid,
- - Erhöhen des elektrischen Wirkungsgrads aufgrund der indirekten Kühlung von Inverter und Elektromotor der Antriebsvorrichtung des Verdichters,
- - Vermeiden von Leistungsabregelungen und Drehzahlverringerungen am Verdichter infolge zu hoher Temperaturen des verdichteten Fluids am Auslass des Verdichters,
- - Reduktion der Wärmeleitung in Richtung der Längsachse des Verdichters durch thermodynamische Unterbrechung der Leitung,
- - Reduktion der Temperatur des verdichteten Fluids am Einlass in den Gaskühler/Kondensator infolge einer reduzierten Wärmelast beziehungsweise Gaskühler/Kondensator mit geringerer Leistung, da ein signifikanter Anteil der Wärme im Verdichter über den Wärmeträgerfluidkreislauf abgeführt oder kein externer Gaskühler/Kondensator benötigt wird,
- - maximale Lebensdauer interner Komponenten,
- - Vermeiden von Verlusten durch die Auskopplung der Wärme in den Wärmeträgerfluidkreislauf,
- - gezielte Regelung des Wärmeträgerfluidmassenstroms und gezieltes Nutzen der Verdichterabwärme zum Heizen, beispielsweise der Batterie, dadurch Erhöhen der Reichweite bei elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen und Verzicht auf zusätzliche elektrische Beheizung,
- - Optimierung des Thermomanagements für mehr Komfort der Fahrzeuginsassen sowie
- - Verringern der Geräuschemission beziehungsweise der Schallemission und der Druckpulsationen im System durch die Vorrichtung zum Kühlen infolge des Nutzens des inneren Hohlraumvolumens als Schalldämpfer noch gesteigert.
- - Reduction of the average compressor temperature, in particular the temperature of the compressed fluid at the outlet of the compressor without reducing the performance in the refrigerant circuit - for example, the temperature at the outlet of the compressor with carbon dioxide as the refrigerant is below 100°C instead of 175°C without the device according to the invention, as a result
- - reduced temperature requirement on refrigerant lines in the circuit, especially after the compressor, combined with lowering of system costs through the use of low-temperature refrigerant lines on the high-pressure side of the circuit,
- - Increase in volumetric and isentropic efficiency (especially when cooling the fixed scroll in scroll compressors)
- - higher cooling capacity in the system or lower drive power of the compressor with comparable cooling capacities, for example increasing the mass flow by 4% with a reduction in drive power by 6% with carbon dioxide as the fluid to be compressed,
- - increase in electrical efficiency due to indirect cooling of the inverter and electric motor of the compressor drive device,
- - Avoidance of power derating and speed reductions on the compressor due to high temperatures of the compressed fluid at the compressor outlet,
- - Reduction of heat conduction in the direction of the longitudinal axis of the compressor through thermodynamic interruption of the line,
- - Reduction of the temperature of the compressed fluid at the inlet to the gas cooler/condenser as a result of a reduced heat load or gas cooler/condenser with lower capacity, since a significant proportion of the heat in the compressor is dissipated via the heat transfer fluid circuit or no external gas cooler/condenser is required,
- - maximum lifespan of internal components,
- - Avoidance of losses due to the decoupling of the heat in the heat transfer fluid circuit,
- - targeted control of the heat transfer fluid mass flow and targeted use of the compressor waste heat for heating, for example the battery, thereby increasing the range of electric motor vehicles and dispensing with additional electrical heating,
- - Optimization of the thermal management for more comfort of the vehicle occupants as well
- - Reducing the noise emission or the sound emission and the pressure pulsations in the system by the device for cooling as a result of the use of the inner cavity volume as a sound absorber is increased.
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:
-
1 : einen elektrisch angetriebenen Verdichter mit einer im Verdichter integrierten Vorrichtung zum Kühlen eines in dem Verdichter zu verdichtenden Fluids in einer Schnittdarstellung, -
2 : Komponenten des Verdichters mit einer ersten Ausführungsform der integrierten Vorrichtung zum Kühlen des Fluids in einer perspektivischen Ansicht, -
3a und3b : die Komponenten des Verdichters mit der integrierten Vorrichtung zum Kühlen desFluids aus 2 in einer perspektivischen sowie einer seitlichen Schnittdarstellung, -
4a : die erste Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen des im Verdichter zu verdichtenden Fluids aus den3a und3b im montierten Zustand in einer perspektivischen Ansicht, -
4b und4c : die erste Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen des im Verdichter zu verdichtenden Fluids aus den3a und3b mit einem Kernelement, Zwischenelementen und Außenelementen jeweils in einer perspektivischen Explosionsdarstellung, -
5a bis5e : mit der ersten Ausführungsform der Vorrichtung aus2 , einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung, einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung, einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung und einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung verschiedene Ausführungsformen in einer Zusammenstellung, -
6a und6b : das Kernelement der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen des im Verdichter zu verdichtenden Fluids aus5b mit einem Einlass und einem Auslass eines Wärmeträgerfluids jeweils als ein Einzelelement in einer perspektivischen Seitenansicht sowie -
6c und6d : das Kernelement aus den6a und6b mit den Strömungsrichtungen des im Verdichter zu verdichtenden Fluids und des Wärmeträgerfluids jeweils in einer Seitenansicht.
-
1 : an electrically driven compressor with a device integrated in the compressor for cooling a fluid to be compressed in the compressor, in a sectional view, -
2 : components of the compressor with a first embodiment of the integrated device for cooling the fluid in a perspective view, -
3a and3b : the components of the compressor with the integrated device for cooling thefluid 2 in a perspective and a lateral sectional view, -
4a : the first embodiment of the device for cooling the fluid to be compressed in the compressor from the3a and3b in the assembled state in a perspective view, -
4b and4c : the first embodiment of the device for cooling the fluid to be compressed in the compressor from the3a and3b with a core element, intermediate elements and outer elements, each in a perspective exploded view, -
5a until5e : with the first embodiment of thedevice 2 , a second embodiment of the device, a third embodiment of the device, a fourth embodiment of the device and a fifth embodiment of the device different embodiments in one combination, -
6a and6b : the core element of the second embodiment of the device for cooling the fluid to be compressed in thecompressor 5b with an inlet and an outlet of a heat transfer fluid, each as a single element in a perspective side view and -
6c and6d : the core element from the6a and6b with the directions of flow of the fluid to be compressed in the compressor and of the heat transfer fluid, each in a side view.
Aus
Der Elektromotor 4 sowie der als Scrollverdichter mit einer orbitierenden Spirale 5a und einer feststehenden Spirale 5b ausgebildete Verdichtungsmechanismus 5 sind innerhalb eines vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens angeordnet. Die Spiralen 5a, 5b sind vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminium oder einem Stahl ausgebildet. Dabei sind ein erstes Gehäuseelement 2a zur Aufnahme des Elektromotors 4, ein zweites Gehäuseelement 2b zur Aufnahme eines Übertragungsmechanismus zur Übertragung der Bewegung von einem Rotor des Elektromotors 4 an die orbitierende Spirale 5a des Verdichtungsmechanismus 5 und ein drittes Gehäuseelement 2c zur Aufnahme des Verdichtungsmechanismus 5 sowie vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminium, ausgebildet.
Die orbitierende Spirale 5a des Verdichtungsmechanismus 5, in welchem das dampfförmige Fluid, speziell das Kältemittel, verdichtet wird, wird über eine mit dem Rotor des Elektromotors 4 verbundene Antriebswelle angetrieben. Der Rotor des Elektromotors 4, die Antriebswelle und die orbitierende Spirale 5a sind auf einer gemeinsamen Rotationsachse angeordnet, welche der Längsachse 6 des Verdichters 1 entspricht.The
The
Das Gehäuse 2 ist über ein viertes Gehäuseelement 2d verschlossen. Das vierte Gehäuseelement 2d weist einen Kältemittelauslass 7 auf, durch welchen das verdichtete Kältemittel auf einem Hochdruckniveau als sogenanntes Heißgas mit hoher Temperatur aus dem Verdichter 1 ausströmt.
Die auf der Längsachse 6 ausgerichteten, das gemeinsame Volumen umschließenden Gehäuseelemente 2a, 2b, 2c, 2d sind über eine Verbindungsanordnung 3 miteinander gekoppelt. Dabei sind das erste Gehäuseelement 2a und das vierte Gehäuseelemente 2d jeweils auf einer in axialer Richtung ausgebildeten Außenseite angeordnet.The
The
Die Verbindungsanordnung 3 ist als eine Schraubverbindung mit Durchgangsöffnungen und Sackbohrungen mit Innengewinde ausgebildet. Dabei sind die Sackbohrungen mit Innengewinde ausschließlich am ersten Gehäuseelement 2a vorgesehen, während die anderen Gehäuseelemente 2b, 2c, 2d jeweils mit Durchgangsöffnungen zur Aufnahme von Schrauben oder Gewindebolzen ausgebildet sind. Die entsprechend fluchtend zueinander ausgerichteten Durchgangsöffnungen ermöglichen jeweils das Durchführen der Schrauben oder Gewindebolzen, welche jeweils innerhalb einer Sackbohrung vom ersten Gehäuseelement 2a aufgenommen werden. Die Gehäuseelemente 2a, 2b, 2c, 2d werden derart miteinander verschraubt und das Gehäuse 2 verschlossen.The
In Richtung der Längsachse 6 ist zwischen dem dritten Gehäuseelement 2c und dem vierten Gehäuseelement 2d die Vorrichtung 10 zum Kühlen des im Verdichter 1 zu verdichtenden Fluids angeordnet. Die Vorrichtung 10 weist einen Außendurchmesser auf, welcher im Wesentlichen den Außendurchmessern der angrenzenden Gehäuseelemente 2c, 2d entspricht. Zudem ist auch die Vorrichtung 10 mit Durchgangsöffnungen als Elemente der Verbindungsanordnung 3 sowie zum Durchführen der Schrauben oder Gewindebolzen ausgebildet, sodass die Vorrichtung 10 zusammen mit den Gehäuseelementen 2a, 2b, 2c, 2d zum Verdichter 1 verbunden wird. Die Vorrichtung 10 ist innerhalb des Verdichters 1 integriert.
Dabei ist die Vorrichtung 10 zum Kühlen des im Verdichter 1 zu verdichtenden Fluids folglich zwischen dem im dritten Gehäuseelement 2c aufgenommenen Verdichtungsmechanismus 5 mit dem Kältemittelauslass 5c und dem vierten Gehäuseelement 2d mit dem Kältemittelauslass 7 des Verdichters 1 ausgebildet. Das Kältemittel wird vorrangig nach dem Vorgang der Verdichtung auf das Hochdruckniveau und damit als Heißgas abgekühlt, bevor das Kältemittel durch den Kältemittelauslass 7 aus dem Verdichter 1 ausströmt.In the direction of the
The
Das Kältemittel wird nach dem Verlassen des Verdichtungsmechanismus 5 durch den Kältemittelauslass 5c in ersten Strömungskanälen 11 durch die Vorrichtung 10 geleitet, während ein die Wärme vom Kältemittel aufnehmendes Wärmeträgerfluid durch zweite Strömungskanäle 12 der als Wärmeübertrager ausgebildeten Vorrichtung 10 strömt.After leaving the
In
Die Vorrichtung 10-1 weist einen Einlass 13 und einen Auslass 14 für das Wärmeträgerfluid, insbesondere ein Kühlmittel, auf. Der Einlass 13 und der Auslass 14 des Wärmeträgerfluids sind jeweils als Stutzen ausgebildet an einer äußeren Mantelfläche eines plattenförmigen Kernelements 15-1 angeordnet. Dabei entspricht der Außendurchmesser des plattenförmigen Kernelements 15-1 im Wesentlichen den Außendurchmessern der angrenzenden Gehäuseelemente 2c, 2d. Durchgangsöffnungen 16 der Vorrichtung 10-1 zum Durchführen der Schrauben oder Gewindebolzen der Verbindungsanordnung 3 sind am Kernelement 15-1 vorgesehen.The device 10-1 has an
Das plattenförmige Kernelement 15-1 ist an den seitlichen Oberflächen mit Ausnehmungen ausgebildet, welche sich jeweils von der entsprechenden Oberfläche ausgehend in das Kernelement 15-1 hinein erstrecken. Die Ausnehmungen sind durch an den Oberflächen in Richtung der Längsachse 6 anliegende, plattenförmige Zwischenelemente 18-1a, 18-1b verschlossen. Die Zwischenelemente 18-1a, 18-1b liegen in jeweils senkrecht zur Längsachse 6 aufgespannten Ebenen an den Oberflächen des Kernelements 15-1 an und decken die Ausnehmungen ab. Die derart verschlossenen, im Kernelement 15-1 vorgesehenen Ausnehmungen bilden die zweiten Strömungskanäle 12-1 des Wärmeträgerfluids aus. Die Zwischenelemente 18-1a, 18-1b weisen jeweils Form eines ebenen, kreisrunden Bleches auf.The plate-shaped core element 15-1 is formed on the side surfaces with recesses which each extend from the corresponding surface into the core element 15-1. The recesses are closed by plate-shaped intermediate elements 18 - 1 a , 18 - 1 b resting on the surfaces in the direction of the
Das Kernelement 15-1 weist insbesondere im Bereich des Außendurchmessers eine konstante Wandstärke in Richtung der Längsachse 6 auf. Im Zentrum des Kernelements 15-1 ist das Kernelement 15-1 an beiden Oberflächen mit einer kreisförmigen Vertiefung 19-1 gleichmäßiger Tiefe ausgebildet. Der Außendurchmesser der kreisförmigen Vertiefung 19-1 korrespondiert jeweils mit dem Außendurchmesser des kreisrunden Zwischenelements 18-1a, 18-1b, während die Ausdehnung der Vertiefung 19-1 in Richtung der Längsachse 6, welche der Tiefe entspricht, mit der Dicke des blechförmigen Zwischenelements 18-1a, 18-1b korrespondiert. Die Zwischenelemente 18-1a, 18-1b können folglich jeweils mit einer in Richtung der Längsachse 6 nach außen und damit vom Kernelement 15-1 wegweisenden Oberfläche fluchtend innerhalb des Kernelements 15-1 angeordnet sein. Das Kernelement 15-1 weist in Verbindung mit den am Kernelement 15-1 angeordneten Zwischenelementen 18-1a, 18-1b dann jeweils eine ebene und geschlossene Fläche in Richtung der Längsachse 6 auf.The core element 15-1 has a constant wall thickness in the direction of the
Das Kernelement 15-1 ist im Bereich des Außendurchmessers zwischen Stirnseiten der benachbarten Gehäuseelemente 2c, 2d angeordnet, während der Bereich der kreisförmigen Vertiefungen 19-1 des Kernelements 15-1, in welchen die Zwischenelemente 18-1a, 18-1b positioniert sind, jeweils in einem von den Gehäuseelementen 2c, 2d umschlossenen Volumen angeordnet sind.The core member 15-1 is located in the region of the outer diameter between end faces of the
An den mit dem Kernelement 15-1 fluchtend ausgerichteten Oberflächen der Zwischenelemente 18-1a, 18-1b liegen plattenförmige Außenelemente 17a, 17b an. Die als Bleche ausgebildeten Außenelemente 17a, 17b weisen speziell, insbesondere mittels Tiefziehen erzeugte Ausformungen auf, welche in Verbindung mit der ebenen Oberfläche des Zwischenelements 18-1a, 18-1b die ersten Strömungskanäle 11-1 für das Kältemittel umfänglich umschließend bereitstellen. Die mittels Tiefziehen erzeugten Ausformungen sind durch die in Richtung der Längsachse 6 anliegenden, plattenförmigen Zwischenelemente 18-1a, 18-1b umfänglich verschlossen. Die Zwischenelemente 18-1a, 18-1b liegen wiederum jeweils in senkrecht zur Längsachse 6 aufgespannten Ebenen an den Außenelementen 17a, 17b an und decken die mittels Tiefziehen erzeugten Ausformungen ab. Die derart verschlossenen, in den Außenelementen 17a, 17b ausgebildeten Bereiche stellen die ersten Strömungskanäle 11-1 des Kältemittels dar.Plate-shaped
Die Vorrichtung 10-1 zum Kühlen des im Verdichter 1 zu verdichtenden Fluids ist mit dem plattenförmigen Kernelement 15-1, den am Kernelement 15-1 beiderseits mit Innenflächen anliegenden blechförmigen Zwischenelementen 18-1a, 18-1b und den an Außenflächen der Zwischenelemente 18-1a, 18-1b anliegenden Außenelementen 17a, 17b als ein Plattenwärmeübertrager, speziell als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, ausgebildet. Die Ausbildung als Plattenwärmeübertrager ermöglicht eine einfache Skalierung der zu übertragenden Wärmeleistung. Das erwärmte Kühlmittel kann zum Beheizen anderer Komponenten, beispielsweise des Klimatisierungssystems oder des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, wie der Batterie, verwendet werden, sodass auf andere Komponenten zum Beheizen, wie einen elektrischen PTC-Heizer verzichtet werden kann.The device 10-1 for cooling the fluid to be compressed in the
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung 10-1 zum Kühlen des im Verdichter 1 zu verdichtenden Fluids innerhalb des Gehäuses 2 selbst, insbesondere innerhalb des vierten Gehäuseelements 2d integriert. Die Vorrichtung 10-1 und das Gehäuseelement 2d sind einstückig ausgebildet.According to an alternative embodiment that is not shown, the device 10-1 for cooling the fluid to be compressed in the
In
Das auf das Hochdruckniveau verdichtete Kältemittel strömt durch eine im ersten Außenelement 17a ausgebildete Einlassöffnung 20 in Strömungsrichtung 26 in die Vorrichtung 10-1 ein und durch eine im zweiten Außenelement 17b ausgebildete Auslassöffnung 21 aus der Vorrichtung 10-1 aus. Nach dem Einströmen wird das Kältemittel auf die zwischen dem ersten Außenelement 17a und dem ersten Zwischenelement 18-1a ausgebildeten erste Strömungskanäle 11-1 gleichmäßig verteilt.
Die ersten Strömungskanäle 11-1, welche sich jeweils von der Einlassöffnung 20 zu einer Verzweigung 22a erstrecken, werden parallel mit Kältemittel beaufschlagt. Das erste Außenelement 17a weist zwei Verzweigungen 22a derart auf, dass der Kältemittelmassenstrom nach dem Durchströmen der Einlassöffnung 20 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt wird. Ein erster Teilmassenstrom des Kältemittels wird durch an einer ersten Verzweigung 22a endende erste Strömungskanäle 11-1 geleitet, während ein zweiter Teilmassenstrom des Kältemittels durch an einer zweiten Verzweigung 22a endende erste Strömungskanäle 11-1 geleitet wird.The refrigerant compressed to the high pressure level flows through an
The first flow channels 11-1, which each extend from the inlet opening 20 to a
Anschließend strömen die Teilmassenströme des Kältemittels durch im ersten Zwischenelement 18-1a ausgebildete Durchlassöffnungen 23a aus den ersten Strömungskanälen 11-1 aus sowie durch im Kernelement 15-1 ausgebildete Durchlassöffnungen 24 und durch im zweiten Zwischenelement 18-1b ausgebildete Durchlassöffnungen 23b hindurch zu im zweiten Zwischenelement 18-1b ausgebildeten Verzweigungen 22b.
Die Durchlassöffnungen 23a, 23b der Zwischenelemente 18-1a, 18-1b, die Durchlassöffnungen des Kernelements 15-1 und die Verzweigungen 22a, 22b des Außenelements 17a korrespondieren in Anordnung und Strömungsquerschnitt miteinander. Dabei sind jeweils eine Verzweigung 22a, 22b, eine Durchlassöffnung eines Zwischenelements 18-1a, 18-1b und eine Durchlassöffnung 24 des Kernelements 15-1 fluchtend zueinander ausgerichtet.The partial mass flows of the refrigerant then flow out of the first flow channels 11-1 through
The
Die zwischen dem zweiten Außenelement 17b und dem zweiten Zwischenelement 18-1b ausgebildeten ersten Strömungskanäle 11-1 erstrecken sich jeweils von einer Verzweigung 22b zur Auslassöffnung 21 und werden parallel mit Kältemittel beaufschlagt. Das zweite Außenelement 17b weist, ebenso wie das erste Außenelement 17a, zwei Verzweigungen 22b derart auf, dass die zwei Teilmassenströme des Kältemittels jeweils gleichmäßig auf die ersten Strömungskanäle 11-1 aufgeteilt werden. Dabei wird der erste Teilmassenstrom des Kältemittels in an einer ersten Verzweigung 22a mündende erste Strömungskanäle 11-1 geleitet, während der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels in an einer zweiten Verzweigung 22b mündende erste Strömungskanäle 11-1 geleitet wird. An der Auslassöffnung 21 werden die Teilmassenströme des Kältemittels zusammengeführt. Der beim Durchströmen der Vorrichtung 10-1 abgekühlte Kältemittelmassenstrom strömt in Strömungsrichtung 26 durch die Auslassöffnung 21 aus der Vorrichtung 10-1 aus. Die Wärme wurde vom Kältemittel an das Wärmeträgerfluid übertragen.The first flow channels 11-1 formed between the second
Das Wärmeträgerfluid strömt durch den als Stutzen ausgebildeten Einlass 13 in Strömungsrichtung 25 in die Vorrichtung 10-1 ein und durch den ebenfalls als Stutzen ausgebildeten Auslass 14 aus der Vorrichtung 10-1 aus. Nach dem Einströmen wird das Wärmeträgerfluid auf die jeweils zwischen dem Kernelement 15-1 und den Zwischenelementen 18-1a, 18-1b ausgebildeten zweiten Strömungskanäle 12-1 gleichmäßig verteilt. Dabei sind beiderseits des Kernelements 15-1 zweite Strömungskanäle vorgesehen, sodass der Wärmeträgerfluidmassenstrom nach dem Durchströmen des Einlasses 13 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt wird.
Die zweiten Strömungskanäle 12-1, welche sich jeweils von einer mit dem Einlass 13 verbundenen Einlassverteilung 12-1a zu einer mit dem Auslass 14 verbundenen Auslassmündung 12-1b erstrecken, werden parallel mit Wärmeträgerfluid beaufschlagt. Die zwei Teilmassenströme des Wärmeträgerfluids werden nach dem Durchströmen des Einlasses 13 jeweils an der Einlassverteilung 12-1a in die zweiten Strömungskanäle 12-1 aufgeteilt. Die jeweils an der Auslassmündung 12-1b zusammengeführten beiden Teilmassenströme des Wärmeträgerfluids werden gemeinsam durch den Auslass 14 aus der Vorrichtung 10-1 abgeleitet. Dabei strömt der beim Durchströmen der Vorrichtung 10-1 erwärmte Wärmeträgerfluidmassenstrom in Strömungsrichtung 25 aus der Vorrichtung 10-1 aus.The heat transfer fluid flows through the
The second flow channels 12-1, which each extend from an inlet distributor 12-1a connected to the
In den
Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Vorrichtungen 10-1, 10-2, 10-3 aus den
Die Ausnehmungen der zweiten Strömungskanäle 12-1 der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10-1 sind, wie zu den
Im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10-1 nach
Zudem strömt das Kältemittel im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10-1 nach
In addition, compared to the first specific embodiment, the refrigerant flows after the device 10-1
Im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10-1 nach
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den Vorrichtungen 10-1, 10-3 einerseits und der Vorrichtung 10-2 andererseits liegt in der Ausbildung der Zwischenelemente 18-1a, 18-2a, 18-1b, 18-2b in Verbindung mit den in den Kernelementen 15-1, 15-2 vorgesehenen Vertiefungen 19-1, 19-2 zur Aufnahme der Zwischenelemente 18-1a, 18-2a, 18-1b, 18-2b.
Während die plattenförmigen Zwischenelemente 18-1a, 18-1b der Vorrichtungen 10-1, 10-3 aus den
While the plate-shaped intermediate elements 18-1a, 18-1b of the devices 10-1, 10-3 from the
Der wesentliche Unterschied zwischen den Vorrichtungen 10-1, 10-2, 10-3 aus den
Die zwei jeweils als Blech ausgebildeten und in Richtung der Längsachse 6 an den Außenseiten des Zentrums des Kernelements 15-4 angeordneten Platten weisen, ähnlich wie die Außenelemente 17a, 17b, speziell, insbesondere mittels Tiefziehen erzeugte Ausformungen auf, welche jeweils in Verbindung mit der ebenen Oberfläche des Zwischenelements 18-2a, 18-2b die zweiten Strömungskanäle 12-1 für das Wärmeträgerfluid bereitstellen. Die Ausformungen sind durch die jeweils in Richtung der Längsachse 6 anliegenden, plattenförmigen Zwischenelemente 18-2a, 18-2b umfänglich verschlossen. Die Zwischenelemente 18-2a, 18-2b liegen jeweils in senkrecht zur Längsachse 6 aufgespannten Ebenen an den Platten des Kernelements 15-4 an und decken die mittels Tiefziehen erzeugten Ausformungen ab.
In Richtung der Längsachse 6 ist zwischen den zwei jeweils als Blech mit Ausformungen ausgebildeten Platten vorteilhaft eine ebene, blechförmige Platte angeordnet, welche insbesondere die Stabilität und Herstellbarkeit des Kernelements 15-4 erhöht. Die einzelnen Platten des Kernelements 15-4 weisen in Form und Abmessung jeweils gleiche Außenkonturen auf, welche mit einer inneren Mantelfläche des am Außenumfang umlaufenden Rings des Kernelements 15-4 korrespondieren.The main difference between the devices 10-1, 10-2, 10-3 from the
The two plates, each designed as sheet metal and arranged on the outer sides of the center of the core element 15-4 in the direction of the
In the direction of the
Die plattenförmigen Zwischenelemente 18-2a, 18-2b der Vorrichtung 10-4 aus
Der wesentliche Unterschied zwischen den Vorrichtungen 10-1, 10-2, 10-3 aus den
Im Vergleich zu den Vorrichtungen 10-1, 10-2, 10-3 ist das Kernelement 15-5 der Vorrichtung 10-5 im Wesentlichen als ein Hohlkreiszylinder ohne Ausnehmungen ausgebildet. Innerhalb des Kernelements 15-5 ist ein hohlkreiszylinderförmiges Wandelement 27 angeordnet, während innerhalb des Wandelements 27 ein zylinderförmiges Zentralelement 28 angeordnet ist. Das Kernelement 15-5, das Wandelement 27 und das Zentralelement 28 sind koaxial zueinander, entlang der Längsachse 6, welche der Symmetrieachse entspricht, ausgerichtet. Dabei korrespondieren der Durchmesser der inneren Mantelfläche des Kernelements 15-5 mit dem Durchmesser der äußeren Mäntelfläche des Wandelements 27, während der Durchmesser der inneren Mäntelfläche des Wandelements 27 mit dem Durchmesser der Mäntelfläche des Zentralelements 28 korrespondiert. Das Kernelement 15-5, das Wandelement 27 und das Zentralelement 28 liegen mit den Mantelflächen fluiddicht aneinander an.The main difference between the devices 10-1, 10-2, 10-3 from the
In comparison to the devices 10-1, 10-2, 10-3, the core element 15-5 of the device 10-5 is designed essentially as a hollow circular cylinder without recesses. A
Das Wandelement 27 ist an der äußeren Mäntelfläche mit einer Ausnehmung für den zweiten Strömungskanal 12-5 des Wärmeträgerfluids ausgebildet und weist an der inneren Mantelfläche eine Ausnehmung für den ersten Strömungskanal 11-5 des Kältemittels auf. Die Ausnehmung für den zweiten Strömungskanal 12-5 ist in radialer Richtung nach außen durch das Kernelement 15-5, insbesondere mittels der inneren Mantelfläche des Kernelements 15-5, abgedeckt. Die Ausnehmung für den ersten Strömungskanal 11-5 ist in radialer Richtung nach innen durch das Zentralelement 28, insbesondere mittels der äußeren Mantelfläche des Zentralelements 28, abgedeckt.
Die Ausnehmungen der Strömungskanäle 11-5, 12-5 und damit die Strömungskanäle 11-5, 12-5 selbst sind jeweils in Form einer in Umfangsrichtung verlaufenden wendelförmigen Nut beziehungsweise axialen Spirale ausgebildet, deren Einlass und Auslass jeweils in Richtung der Längsachse 6 voneinander beabstandet sind. Das Kernelement 15-5 der Vorrichtung 10-5 weist in Richtung der Längsachse 6 eine größere Ausdehnung auf als die Kernelemente 15-1, 15-2, 15-3 der Vorrichtungen 10-1, 10-2, 10-3. Die Strömungskanäle 11-5, 12-5 verlaufen vorzugsweise parallel zueinander.The
The recesses of the flow channels 11-5, 12-5 and thus the flow channels 11-5, 12-5 themselves are each in the form of a helical groove or axial spiral running in the circumferential direction, the inlet and outlet of which are spaced apart from one another in the direction of the
In den
Der wesentliche Unterschied der Kernelemente 15-1, 15-2 der Vorrichtungen 10-1, 10-2 liegt einerseits in der Ausbildung der Ausnehmungen der zweiten Strömungskanäle 12-1, 12-2 des Wärmeträgerfluids und andererseits in der Ausbildung der Ausnehmungen des ersten Strömungskanals 11-2 des Kältemittels innerhalb des Kernelements 15-2. Gleiche Elemente und Komponenten der Vorrichtungen 10-1, 10-2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zu deren Ausbildung und Funktion wird auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen.The main difference between the core elements 15-1, 15-2 of the devices 10-1, 10-2 lies on the one hand in the design of the recesses of the second flow channels 12-1, 12-2 of the heat transfer fluid and on the other hand in the design of the recesses in the first flow channel 11-2 of the refrigerant within the core member 15-2. The same elements and components of the devices 10-1, 10-2 are provided with the same reference numbers. Regarding their design and function, reference is made to the statements made above.
Im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10-1 nach
Zudem ist im Kernelement 15-2 auch ein erster Strömungskanal 11-2 für das Kältemittel vorgesehen, welcher in gleicher Weise, wie der zweite Strömungskanal 12-2 ausgebildet ist. Der erste Strömungskanal 11-2 verläuft folglich ebenfalls abwechselnd auf beiden Oberseiten des Kernelements 15-2 in in den Flächen ausgebildeten Ausnehmungen, welche mittels in senkrechter Richtung zu den Oberseiten und damit in Richtung der Längsachse weisenden Zwischenverbindungen miteinander verbunden sind. Die Ausnehmungen und Zwischenverbindungen des ersten Strömungskanals 11-2 sind wiederum derart zueinander angeordnet, dass das Kältemittel gemäß
Damit wird das Kältemittel durch die zwischen dem ersten Außenelement 17a und dem ersten Zwischenelement 18-2a ausgebildeten ersten Strömungskanäle 11-1, anschließend den im Kernelement 15-2 ausgebildeten ersten Strömungskanal 11-2 sowie abschließend durch die zwischen dem zweiten Außenelement 17b und dem zweiten Zwischenelement 18-2b ausgebildeten ersten Strömungskanäle 11-1 geleitet.In addition, a first flow channel 11-2 for the refrigerant is also provided in the core element 15-2, which is designed in the same way as the second flow channel 12-2. The first flow channel 11-2 consequently also runs alternately on both upper sides of the core element 15-2 in recesses formed in the surfaces, which are connected to one another by means of intermediate connections pointing in the direction perpendicular to the upper sides and thus in the direction of the longitudinal axis. The recesses and interconnections of the first flow channel 11-2 are in turn arranged to one another in such a way that the refrigerant according to
The refrigerant thus flows through the first flow channels 11-1 formed between the first
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Verdichtercompressor
- 22
- GehäuseHousing
- 2a2a
- erstes Gehäuseelementfirst housing element
- 2b2 B
- zweites Gehäuseelementsecond housing element
- 2c2c
- drittes Gehäuseelementthird housing element
- 2d2d
- viertes Gehäuseelementfourth housing element
- 33
- Verbindungsanordnungconnection arrangement
- 44
- Antriebsvorrichtung, ElektromotorDrive device, electric motor
- 55
- Verdichtungsmechanismuscompression mechanism
- 5a5a
- orbitierende Spiraleorbiting spiral
- 5b5b
- feststehende Spiralefixed spiral
- 5c5c
-
Kältemittelauslass Verdichtungsmechanismus 5Refrigerant
outlet compression mechanism 5 - 66
- Längsachselongitudinal axis
- 77
-
Kältemittelauslass Verdichter 1
Refrigerant outlet compressor 1 - 10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-510, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5
- Vorrichtungcontraption
- 11, 11-1, 11-2, 11-511, 11-1, 11-2, 11-5
- erster Strömungskanal Kältemittelfirst flow channel refrigerant
- 12, 12-1, 12-2, 12-3, 12-512, 12-1, 12-2, 12-3, 12-5
- zweiter Strömungskanal Wärmeträgerfluidsecond flow channel heat transfer fluid
- 12-1a12-1a
- Einlassverteilunginlet distribution
- 12-1b12-1b
- Auslassmündungoutlet mouth
- 1313
- Einlass WärmeträgerfluidHeat transfer fluid inlet
- 1414
- Auslass WärmeträgerfluidHeat transfer fluid outlet
- 15-1, 15-2, 15-3, 15-4, 15-515-1, 15-2, 15-3, 15-4, 15-5
- Kernelementcore element
- 1616
- Durchgangsöffnungpassage opening
- 17a17a
- erstes Außenelementfirst outer element
- 17b17b
- zweites Außenelementsecond outer element
- 18-1a, 18-2a18-1a, 18-2a
- erstes Zwischenelementfirst intermediate element
- 18-1b, 18-2b18-1b, 18-2b
- zweites Zwischenelementsecond intermediate element
- 19-1, 19-219-1, 19-2
- Vertiefungdeepening
- 2020
- Einlassöffnung KältemittelInlet port refrigerant
- 2121
- Auslassöffnung KältemittelRefrigerant outlet port
- 22a, 22b22a, 22b
- Verzweigungbranch
- 23a, 23b23a, 23b
- Durchlassöffnungpassage opening
- 2424
- Durchlassöffnungpassage opening
- 2525
- Strömungsrichtung WärmeträgerfluidDirection of flow of heat transfer fluid
- 2626
- Strömungsrichtung Kältemitteldirection of flow of refrigerant
- 2727
- Wandelementwall element
- 2828
- Zentralelementcentral element
- 2929
- Strömungsrichtung Kältemitteldirection of flow of refrigerant
- 3030
- Strömungsrichtung WärmeträgerfluidDirection of flow of heat transfer fluid
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-
2022
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