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Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Verdrängermaschinen, die nach dem Spiralprinzip arbeiten, insbesondere Scrollverdichter, sind aus der Praxis bekannt. Sie werden üblicherweise als Kompressoren für Klimaanlagen in Fahrzeugen eingesetzt. Im Allgemeinen sind derartige Scrollverdichter so aufgebaut, dass eine Verdichtungsbaugruppe, die einen Elektromotor, eine orbitierende Verdrängerspirale, eine Gegenspirale und eine Lagerplatte aufweist, in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse soll die inneren Bauteile des Scrollverdichters vor einer Korrosion schützen.
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Das Wirkprinzip des Scrollverdichters besteht darin, dass die Verdrängerspirale und die Gegenspirale ineinandergreifen, so dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale variable Verdichtungskammern gebildet sind. In diese Verdichtungskammern strömt ein Arbeitsmittel ein und wird durch die variablen Verdichtungskammern verdichtet. Der Antrieb der orbitierenden Verdrängerspirale erfolgt über den Elektromotor mittels einer Motorwelle, die mit der Verdrängerspirale antriebsverbunden ist.
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Scrollverdichter sind generell sehr effizient und grundsätzlich laufruhig. Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen erhöhen sich jedoch die Anforderungen an die Laufruhe erheblich. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen führen bereits kleine Vibrationen in einzelnen Bauteilen zu einer merklichen Geräuschentwicklung. Eine solche Geräuschentwicklung ist bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren durch die Vibrationen des Verbrennungsmotors an sich untergegangen. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird durch Reduktion von bewegten Teilen jedoch erreicht, dass die aus dem Fahrzeugantrieb emittierten Vibrationen deutlich reduziert sind. Folglich treten Vibrationen anderer Bauteile im Fahrzeug in den Vordergrund. Es besteht daher ein hohes Bestreben danach, andere bewegte Bauteile in einem Fahrzeug im Hinblick auf Vibrationen und Schallemissionen zu verbessern. Dies betrifft insbesondere auch Klimakompressoren in Fahrzeugen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, anzugeben, die im Hinblick auf Vibrationen und Schallemissionen verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
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So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, mit einem Gehäuse und einer Verdichtungsbaugruppe anzugeben, wobei die Verdichtungsbaugruppe einen Elektromotor, eine orbitierende Verdrängerspirale, eine Gegenspirale und eine Lagerplatte aufweist. Die Verdrängerspirale und die Gegenspirale greifen so ineinander ein, dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale variable Verdichtungskammern gebildet sind, um ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Arbeitsmittel aufzunehmen und zu verdichten. Der Elektromotor ist mittels eines Motorwelle mit der Verdrängerspirale antriebsverbunden. Erfindungsgemäß ist die Verdichtungsbaugruppe vom Gehäuse schwingungsentkoppelt.
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Die Erfindung fußt auf der Idee, alle beweglichen Elemente der Verdrängermaschine in einer Verdichtungsbaugruppe zusammenzufassen und diese Verdichtungsgruppe vom Gehäuse der Verdrängermaschine zu entkoppeln, so dass Schwingungen, die durch die bewegten Teile der Verdichtungsbaugruppe entstehen, nicht unmittelbar in das Gehäuse eingetragen und vom Gehäuse in weitere Bauteile des Fahrzeugs übertragen werden.
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Auf diese Weise wird die Laufruhe der Verdrängermaschine deutlich verbessert. Ein zusätzlicher positiver Effekt dieser Gestaltung besteht darin, dass durch die Entkopplung der Verdichtungsbaugruppe vom Gehäuse die Wartung der Verdichtungsbaugruppe erleichtert ist. insbesondere kann die gesamte Verdichtungsbaugruppe vergleichsweise einfach ausgetauscht werden.
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Vorzugsweise sind zwischen der Verdichtungsbaugruppe und dem Gehäuse nicht-metallische Entkopplungselemente angeordnet. Die Entkopplungselemente können insbesondere als O-Ringe ausgebildet sein. Vorteilhaft ist es, wenn die O-Ringe aus Kunststoff und/oder Gummi bestehen. Die Entkopplungselemente bewirken auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine Schwingungsentkopplung zwischen der Verdichtungsbaugruppe und dem Gehäuse.
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Generell kann vorgesehen sein, dass die Verdichtungsbaugruppe mechanisch eigenständig funktionsfähig ist. Die Verdichtungsbaugruppe umfasst also alle beweglichen Teile der Verdrängermaschine. So ist sichergestellt, dass die mechanischen Bauelemente, die Schwingungen erzeugen, gut vom Gehäuse schwingungsentkoppelt sind. Die in der Verdichtungsbaugruppe erzeugten Schwingungen werden also nicht unmittelbar an das Gehäuse übertragen. Die Laufruhe wird dadurch verbessert. Insbesondere wird die Übertragung von Schwingungen nach außen in andere Bauteile, beispielsweise eines Fahrzeugs, vermieden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine bildet die Lagerplatte ein Innengehäuse, in welchem der Elektromotor angeordnet ist. Die Lagerplatte ist folglich nicht nur als flache Platte ausgebildet, sondern hat eine Gehäuseform. Dabei bildet die Lagerplatte vorzugsweise ein Innengehäuse, welches als Teil der Verdichtungsbaugruppe innerhalb des Gehäuses angeordnet und von diesem schwingungsentkoppelt ist. Durch das Innengehäuse werden die bewegten Teile der Verdichtungsbaugruppe zusammengefasst und bilden eine einheitlich handhabbare Baueinheit.
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Die Lagerplatte kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Eine einteilige Ausführung der Lagerplatte hat Vorteile bei der Montage. Insbesondere sind weniger Einzelteile zu fertigen, was die Herstellungskosten reduzieren kann. Mit einer mehrteiligen Ausbildung der Lagerplatte wird die Flexibilität bei der Wartung bzw. Reparatur der Verdrängermaschine erhöht.
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Die Lagerplatte, insbesondere das Innengehäuse, kann ein Wellenlager der Motorwelle tragen. Die Motorwelle ist also in der Lagerplatte gelagert. Folglich ist die Motorwelle Teil der Verdichtungsbaugruppe und somit vom Gehäuse schwingungsentkoppelt.
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Die Lagerplatte kann den Elektromotor, insbesondere dessen Stator, das Wellenlager und die Gegenspirale fest miteinander verbinden. Die Lagerplatte bildet insofern ein zentrales Bauteil der Verdichtungsbaugruppe. Konkret kann die Lagerplatte ein Bindeglied zwischen den beweglichen Teilen der Verdichtungsbaugruppe bilden.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wellenlager so ausgebildet ist, dass die Motorwelle ausschließlich über das einzige Wellenlager abgestützt ist. Bei herkömmlichen Scrollverdichtern ist die Motorwelle meist einerseits an der Lagerplatte über ein erstes Lager und andererseits am Boden des Gehäuses über ein zweites Lager abgestützt. Um einen metallischen Kontakt zwischen der Verdichtungsbaugruppe und dem Gehäuse zu vermeiden, ist es jedoch vorteilhaft, auf das zweite Lager zu verzichten. Damit besteht zwischen der Motorwelle und dem Gehäuse keine direkte schwingungsübertragende Verbindung. Eine Übertragung von Körperschall wird damit weiter vermieden.
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Um die in der Motorwelle auftretenden Kräfte auch bei einseitiger Lagerung aufnehmen zu können, ist es bevorzugt, wenn das Wellenlager als zweireihiges Schrägkugellager oder als ein Paar von aneinander anliegenden einreihigen Schrägkugellagern gebildet ist. Das zweireihige Schrägkugellager oder das Paar von aneinander anliegenden einreihigen Schrägkugellagern können jeweils eine U-Anordnung aufweisen. Auf diese Wiese werden auch axiale Kräfte, die auf die Motorwelle wirken, durch das Wellenlager gut aufgenommen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Verdichtungsbaugruppe, insbesondere die Lagerplatte, andere Materialien als das Gehäuse aufweist. Insbesondere kann die Lagerplatte aus einem vom Gehäuse verschiedenen Material gebildet sein. Damit kann eine Funktionstrennung erreicht und weiter verbessert werden. Das Gehäuse hat die Funktion, die Verdichtungsbaugruppe vor äußeren Einflüssen zu schützen. Dazu ist das Gehäuse vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Material, vorzugsweise Aluminium, gebildet. Die Verdichtungsbaugruppe, insbesondere die Lagerplatte, bildet die mechanischen Komponenten, die zum Betrieb für die Grundfunktion der Verdrängermaschine erforderlich sind. Dabei werden Kräfte frei, die über die Bauteile der Verdichtungsbaugruppe aufgenommen werden müssen. Insbesondere die Lagerplatte hat hohe Kräfte aufzunehmen. Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Lagerplatte aus einem festen Material, beispielsweise einem Stahl, gebildet ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Lagerplatte und das Wellenlager ein Material aufweisen, das einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten, aufweist. Das vermeidet ein Verspannen des Wellenlagers in der Lagerplatte und sorgt zusätzlich zur Vermeidung von Vibrationen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Darin zeigt die einzige Figur eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Verdrängermaschine.
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Die einzige Figur zeigt eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter. Der Scrollverdichter weist ein Gehäuse 100 auf, das eine Verdichtungsbaugruppe 150 umschließt. Das Gehäuse 100 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Hauptgehäuse 110 und einem Gehäusedeckel 120 gebildet. Das Hauptgehäuse 110 ist im Wesentlichen topfförmig gestaltet und durch den Gehäusedeckel 120 an einem axialen Ende verschlossen.
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Die Verdichtungsbaugruppe 150 umfasst einen Elektromotor 10, der einen Stator 13 und einen Rotor 11 aufweist. Der Rotor 11 ist drehfest mit einer Motorwelle 12 verbunden, die in einem Wellenlager 31 gelagert ist. Das Wellenlager 31 ist vorzugsweise als zweireihiges Schrägkugellager ausgestaltet und bildet die einzige Lagerung für die Motorwelle 12. Alternativ kann das Wellenlager 31 auch durch ein Paar von aneinander anliegenden einreihigen Schrägkugellagern gebildet sein. Das Wellenlager 31 weist in jedem Fall bevorzugt eine O-Anordnung auf, so dass es axiale Kräfte in beide Richtungen aufnehmen kann.
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Das Wellenlager 31 ist vorzugsweise das einzige Wellenlager 31. Konkret ist die Motorwelle 12 nur durch das einzige Wellenlager 31 gelagert. Insbesondere auf einer dem einzigen Wellenlager 31 gegenüberliegenden Seite ist die Motorwelle 12 lagerfrei bzw. ungelagert. Die Motorwelle 12 ist insoweit freitragend durch das einzige Wellenlager 31 gelagert. In diesem Zusammenhang wird von einer fliegenden Lagerung der Motorwelle 12 gesprochen.
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Die Motorwelle 12 weist ferner zu einem Gehäuseboden 101 des Gehäuses 100 einen Abstand auf. Insbesondere besteht kein unmittelbarer Kontakt zwischen der Motorwelle 12 und dem Gehäuseboden 101. Damit wird vermieden, dass Vibrationen aus der Rotationsbewegung der Motorwelle 12 in das Gehäuse 100 übertragen werden. Am Gehäuseboden 101 kann ferner ein Invertergehäuse angeordnet sein. Der Gehäuseboden 101 kann auch eine Wand des Invertergehäuses bilden. In beiden Fällen bildet der Innenraum des Invertergehäuses einen Resonanzraum bzw. Resonanzkörper, der Schallemissionen verstärken kann. Indem die Motorwelle 12 von dem Gehäuseboden 101 und damit von dem Invertergehäuse entkoppelt ist, werden derartige Schallemissionen reduziert.
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Das Wellenlager 31 ist in eine Lagerplatte 30 eingepresst. Die Lagerplatte 30 trennt einen Antriebsraum der Verdichtungsbaugruppe 150 von einem Verdichtungsraum. Im Antriebsraum ist der Elektromotor 10 angeordnet. Der Verdichtungsraum umfasst eine Verdrängerspirale 21, die auf der Lagerplatte 30 oder einer auf der Lagerplatte 30 angeordneten Gleitplatte (nicht dargestellt) aufliegt. Die Verdrängerspirale 21 greift in eine Gegenspirale 22 ein, die ebenfalls im Verdichtungsraum angeordnet ist. Die Gegenspirale 22 ist mit der Lagerplatte 30 fest verbunden, insbesondere verschraubt.
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Um eine gute Abdichtung zwischen der Verdrängerspirale 21 und der Lagerplatte 30 zu erreichen, weist die Verdrängerspirale eine Dichtungsnut 23 auf. Die Dichtungsnut 23 erstreckt sich vorzugsweise ringförmig um die Längsachse der Motorwelle 12 durch den Boden der Verdrängerspirale 21. In die Dichtungsnut 23 ist eine Dichtung aufgenommen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt ist.
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Radial innerhalb der Dichtungsnut 23 ist ein Antirotationsmechanismus 40 vorgesehen. Der Antirotationsmechanismus 40 umfasst mehrere verteilt angeordnete Stifte 41, die fest in der Lagerplatte 30 angeordnet sind. Die Stifte 41 stehen über die Lagerplatte 30 vor und greifen in Bohrungen 42 ein, die in der Verdrängerspirale 21 ausgebildet sind. Die Bohrungen 42 weisen einen Querschnittsdurchmesser auf, der deutlich größer, insbesondere um ein Vielfaches größer, als der Durchmesser der Stifte ist. Der Antirotationsmechanismus 40, der auch als Pin/Ring-Mechanismus bezeichnet wird, verhindert, dass sich die Verdrängerspirale 21 um ihre Mittelachse dreht. Vielmehr wird so erreicht, dass die Verdrängerspirale in eine orbitierende Bewegung gedrängt wird. Dabei wird die Verdrängerspirale 21 durch die Motorwelle 12 angetrieben, die über einen Ausgleichsmechanismus 14 und ein Exzenterlager 15 mit der Verdrängerspirale 21 in Kontakt steht. Der Ausgleichsmechanismus 14 umfasst im Wesentlichen ein Gegengewicht, das dynamische Unwuchten der Verdrängerspirale 21 ausgleicht und so bewirkt, dass die Verdichtungskammern zwischen der Verdrängerspirale 21 und der Gegenspirale 22 abgedichtet sind.
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Wie aus der Figur erkennbar ist, bildet die Lagerplatte 30 ein Innengehäuse 32, in welchem der Elektromotor 10 angeordnet ist. Insbesondere setzt sich die Lagerplatte 30 zylinderförmig fort und nimmt den Stator 13 des Elektromotors 10 auf. Der Stator 13 ist vorzugswiese fest mit dem Innengehäuse 32 verbunden. Das Innengehäuse 32 weist mehrere Nuten 33 auf, die sich vorzugsweise ringförmig um die Längsachse der Motorwelle 12 erstrecken. Insgesamt sind vier Nuten 33 vorgesehen, wobei drei Nuten 33 radial nach außen geöffnet sind, wogegen eine Nut 33 in Richtung eines axialen Endes des Innengehäuses 32 geöffnet ist. In allen Nuten 33 sind Entkopplungselemente 34 angeordnet, die mit dem Gehäuse 100 in Kontakt stehen. Die Entkopplungselemente 34 sind vorzugsweise als O-Ringe aus Kunststoff und/oder Gummi gebildet.
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Das Innengehäuse 32 weist zum Gehäuse 100 ein Spiel auf. Konkret ist vorgesehen, dass zwischen dem Innengehäuse 32 und dem Gehäuse 100 ein Spalt besteht. Die Entkopplungselemente 34 überbrücken diesen Spalt und halten das Innengehäuse 32 auf Abstand vom Gehäuse 100. Es besteht so kein metallischer Kontakt zwischen Innengehäuse 32 und dem Gehäuse 100, wodurch eine Schallentkopplung erreicht ist.
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Die Gegenspirale 22 weist ebenfalls Nuten 33 auf, die jeweils ein Entkopplungselement 34 aufnehmen. Die Gegenspirale 22 bildet mit dem Innengehäuse 32 und den im Innengehäuse 32 angeordneten Komponenten die Verdichtungsbaugruppe 150, die vollständig schallentkoppelt von dem Gehäuse 100 gelagert ist. Die Lagerung erfolgt über die Entkopplungselemente 34, die in den Nuten 33 angeordnet sind.
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Erkennbar ist in der Figur auch, dass eine der Nuten 33 in der Gegenspirale 22 in Richtung eines freien axialen Endes des Gehäusedeckels 120 geöffnet ist. Die axial geöffnete Nut 33 des Innengehäuses 32 ist in die Gegenrichtung geöffnet, also in Richtung des freien Endes des Hauptgehäuses 110. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Verdichtungsbaugruppe 150 nicht nur radial, sondern auch beidseitig axial von dem Gehäuse 100 entkoppelt ist. Die zweite Nut 33 ist in der Gegenspirale 22 radial nach außen geöffnet, also in Richtung der Innenfläche des Gehäusedeckels 120.
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Die Figur lässt außerdem erkennen, dass die Verdichtungsbaugruppe 150 für sich genommen mechanisch eigenständig ist. Alle mechanischen Abläufe des Scrollverdichters erfolgen also in der Verdichtungsbaugruppe 150. Die Aufgabe des Gehäuses 100 besteht lediglich darin, die entsprechenden Fluidkammern zur Führung des zu verdichtenden Arbeitsmittels zu bilden und die Verdichtungsbaugruppe 150 vor äußeren Umwelteinflüssen zu schützen.
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Bezugszeichen
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- 10
- Elektromotor
- 11
- Rotor
- 12
- Motorwelle
- 13
- Stator
- 14
- Ausgleichsmechanismus
- 15
- Exzenterlager
- 21
- Verdrängerspirale
- 22
- Gegenspirale
- 23
- Dichtungsnut
- 30
- Lagerplatte
- 31
- Wellenlager
- 32
- Innengehäuse
- 33
- Nut
- 34
- Entkopplungselement
- 40
- Antirotationsmechanismus
- 41
- Stift
- 42
- Bohrung
- 100
- Gehäuse
- 101
- Gehäuseboden
- 110
- Hauptgehäuse
- 120
- Gehäusedeckel
- 150
- Verdichtungsbaugruppe
