-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels eines Kältemittelkreislaufs, speziell eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse, einen Verdichtungsmechanismus zum Verdichten des gasförmigen Fluids und einen Elektromotor zum Antreiben des Verdichtungsmechanismus auf. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
-
Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf, auch als Kältemittelverdichter bezeichnet, werden unabhängig vom Kältemittel oft als Kolbenverdichter mit variablem Hubvolumen oder als Scrollverdichter ausgebildet. Die Verdichter werden dabei entweder über eine Riemenscheibe oder elektrisch angetrieben.
-
Herkömmliche elektrisch angetriebene Scrollverdichter sind mit einem in einem Gehäuse angeordneten Elektromotor sowie einem Verdichtungsmechanismus ausgebildet, welcher mit dem Elektromotor mechanisch verbunden ist.
-
Der Verdichtungsmechanismus des Scrollverdichters weist eine unbewegliche, feststehende Spirale mit einer scheibenförmigen Grundplatte und einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung sowie eine bewegliche Spirale mit einer scheibenförmigen Grundplatte und einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung auf. Die unbewegliche, feststehende Spirale und die bewegliche Spirale, welche auch als Orbiter oder orbitierende Spirale bezeichnet wird, wirken zusammen. Dabei sind die Grundplatten derart zueinander angeordnet, dass die Wandungen der Spiralen ineinandergreifen. Die spiralförmigen Wandungen bilden aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume aus.
-
Der Orbiter wird über einen mit einer Antriebswelle verbundenen Exzenter auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, sodass die spiralförmige Wandung des Orbiters um die stationäre spiralförmige Wandung der unbeweglichen Spirale orbitiert. Durch die gegenläufige Bewegung der zwei ineinander verschachtelten, spiralförmigen Wandungen werden die Arbeitsräume verkleinert und das Fluid komprimiert. Das zu verdichtende gasförmige Fluid wird in den Verdichtungsmechanismus angesaugt, innerhalb des Verdichtungsmechanismus verdichtet und über einen Auslass ausgestoßen.
-
Der Elektromotor weist einen Stator mit einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Statorkern und auf dem Statorkern aufgewickelte Spulen sowie einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor auf. Der Rotor ist koaxial innerhalb des Stators um eine Rotationsachse drehbar angeordnet und wird in eine Rotationsbewegung versetzt, wenn den Spulen des Stators elektrische Energie zugeführt wird. Die einerseits mit dem Orbiter des Verdichtungsmechanismus verbundene und den Orbiter zum Verdichten des dampfförmigen Fluids antreibende Antriebswelle ist andererseits integral mit dem Rotor oder als ein separates Element des Elektromotors ausgebildet.
-
Bei dem mit dem Elektromotor angetriebenen Verdichtungsmechanismus kann unter Umständen nach der Außerbetriebnahme des Antriebs, beispielsweise durch gewolltes Abschalten oder eine ungewollte Unterbrechung der Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie, insbesondere durch einen Unfall, im Elektromotor eine unerwünschte elektrische Spannung induziert werden. Der Elektromotor würde dabei kurzzeitig als ein Generator funktionieren.
-
Eine mögliche Ursache für den vom Betrieb im Verdichtermodus abweichenden Betrieb mit abgeschaltetem Elektromotor wird durch das Strömen des Fluids durch den Verdichtungsmechanismus bewirkt, welches den Verdichtungsmechanismus in Bewegung setzt. Der Verdichtungsmechanismus wird folglich nicht durch den Elektromotor, sondern das hindurchströmende Fluid angetrieben. Beim regulären Betrieb des Verdichters im Verdichtermodus wird das Fluid, insbesondere das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs, speziell des Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, beim Durchströmen des Verdichtungsmechanismus von einem niederen Druckniveau auf ein höheres Druckniveau verdichtet.
-
Der beim Betrieb im Verdichtermodus abweichende Betrieb des Verdichters mit abgeschaltetem Elektromotor bewirkte Massenstrom des Kältemittels kann durch ein Ausströmen des Kältemittels aus dem Kältemittelkreislauf, zu dessen Komponenten auch der Verdichter zählt, verursacht werden. Der Massenstrom des Kältemittels durch den Verdichter kann zur Bewegung des Verdichtermechanismus, speziell des mit der Antriebswelle verbundenen Orbiters, und damit zu einer Bewegung des magnetischen Rotors relativ zum Stator des Elektromotors führen. Dadurch wird innerhalb der Spulen des Stators des Elektromotors eine elektrische Spannung induziert. Um zu verhindern, dass eine derart induzierte Spannung bestimmte Grenzwerte übersteigt, ist das gesamte Klimatisierungssystem, insbesondere der Kältemittelkreislauf einschließlich des Verdichters, zu schützen.
-
Aus dem Stand der Technik sind auf der Seite des elektrischen Antriebs basierte Lösungen bekannt, welche eine mögliche Induktion der elektrischen Spannung innerhalb der Spulen des Elektromotors durch das Bewegen des Verdichtungsmechanismus nach dem Abschalten des Elektromotors verhindern oder zumindest begrenzen, was die Sicherheit des Betriebs des Verdichters erhöht. Allerdings sind derartige elektrische Schaltungen zur aktiven beziehungsweise passiven Entladung sehr kostenintensiv in der Herstellung sowie Wartung und erfordern einen hohen Aufwand zur Validierung und Dokumentation.
-
Aus der
US 2006 0254309 A1 geht eine Strömungsvorrichtung mit einer Expansionsvorrichtung vom Scroll-Typ hervor, welche mit einem Hochdruckkältemittel betrieben wird. Das Kältemittel wird mittels Abwärme eines Motors eines Kraftfahrzeugs erhitzt. Die Strömungsvorrichtung weist zudem einen Motorgenerator zum Erzeugen elektrischer Energie auf. Der Motorgenerator wird durch eine mit der Expansionsvorrichtung bereitgestellte Rotationskraft angetrieben, wobei eine rotierende Welle des Motorgenerators mit einer beweglichen Spirale der Expansionsvorrichtung gekoppelt ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids bereitzustellen, welche mit maximaler Sicherheit betrieben werden kann. Insbesondere soll bei Außerbetriebnahme des elektrischen Antriebs der Vorrichtung verhindert werden, dass innerhalb der Vorrichtung elektrische Spannung erzeugt wird und diese ausgehend von der Vorrichtung am elektrischen Netz des Kraftfahrzeugs anliegt. Die Vorrichtung soll eine einfache Konstruktion aus einer minimalen Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf aufweisen. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, die Wartung, die Montage und den Betrieb minimal sein.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels eines Kältemittelkreislaufs, speziell eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse, einen Verdichtungsmechanismus zum Verdichten des gasförmigen Fluids und einen Elektromotor zum Antreiben des Verdichtungsmechanismus auf. Das Gehäuse ist mit einer Saugdruckkammer und einer Hochdruckkammer ausgebildet.
-
Nach der Konzeption der Erfindung weist die Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids einen Bypassströmungspfad und eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses des Fluids durch den Bypassströmungspfad auf. Dabei ist der Bypassströmungspfad insbesondere einzig die Saugdruckkammer und die Hochdruckkammer strömungstechnisch miteinander verbindend ausgebildet. Die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids ist den Bypassströmungspfad ausschließlich zum Durchströmen mit dem Fluid in einer Strömungsrichtung von der Saugdruckkammer in die Hochdruckkammer abhängig vom jeweiligen Druckniveau des Fluids in der Saugdruckkammer und in der Hochdruckkammer öffnend ausgebildet. Die Vorrichtung wird vorzugsweise lediglich durch die unterschiedlichen Druckniveaus und damit die Druckdifferenz zwischen den Druckniveaus mechanisch betätigt.
-
Die Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids weist folglich einen druckbedingt öffnenden und schließenden Bypassströmungspfad von einer ursprünglichen Saugseite zu einer Druckseite auf. Der Bypassströmungspfad ist nur dann geöffnet, wenn das Fluid in der Saugdruckkammer einen höheren Druck aufweist als in der Hochdruckkammer. Wenn der Druck des Fluids in der Saugdruckkammer gleich oder geringer ist als der Druck des Fluids in der Hochdruckkammer, bleibt der Bypassströmungspfad geschlossen.
-
Die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids durch den Bypassströmungspfad ist vorteilhaft als ein Ventil, insbesondere als ein Rückschlagventil, ausgebildet, welches den Bypassströmungspfad in der Strömungsrichtung des Fluids von der Saugdruckkammer in die Hochdruckkammer bei Bedarf öffnet und in einer Strömungsrichtung von der Hochdruckkammer in die Saugdruckkammer stets verschließt.
-
Die Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids ist bevorzugt als elektrisch angetriebener Kältemittelverdichter ausgebildet.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Verdichtungsmechanismus der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids als Komponente eines Scrollverdichters eine feststehende Spirale und eine orbitierende Spirale auf. Die feststehende beziehungsweise unbewegliche Spirale und die orbitierende Spirale sind jeweils mit einer Grundplatte und jeweils einer sich von der Grundplatte erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung ausgebildet. Die Wandungen sind dabei ineinandergreifend und Arbeitsräume ausbildend angeordnet.
-
Die Strömungsrichtung des Fluids durch den Verdichtungsmechanismus ist mittels vorgesehener Komponenten auf eine bestimmte Richtung, insbesondere von der Saugseite zur Druckseite, beschränkt. Der Durchfluss des Fluids durch den Verdichtungsmechanismus in dazu entgegengesetzter Richtung wird verhindert, wenn der Druck auf der Druckseite höher ist als auf der Saugseite.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Elektromotor einen Rotor und einen Stator auf, welcher innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Stator ist mit Spulen jeweils zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes und damit zum Antreiben des insbesondere koaxial innerhalb des Stators und um eine Rotationsachse drehbar angeordneten Rotors ausgebildet.
-
Der Rotor kann eine Antriebswelle aufweisen oder mit einer Antriebswelle verbunden sein, welche jeweils um die Rotationsachse rotierend angeordnet ist. Die Antriebswelle ist zudem vorzugsweise jeweils mit der orbitierenden Spirale des Verdichtungsmechanismus des Scrollverdichters mechanisch verbunden.
-
Der Bypassströmungspfad kann an jeder geeigneten Stelle innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids ausgebildet sein, welche sowohl an den Hochdruckbereich als auch an den Niederdruckbereich der Vorrichtung angrenzt.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Bypassströmungspfad innerhalb der feststehenden Spirale oder innerhalb einer Wandung des Gehäuses oder außerhalb des Gehäuses ausgebildet. Bei der Anordnung des Bypassströmungspfades innerhalb der feststehenden Spirale des Verdichtungsmechanismus des Scrollverdichters ist der Bypassströmungspfad insbesondere als eine Durchgangsöffnung durch die Grundplatte der feststehenden Spirale ausgebildet.
-
Die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids durch den Bypassströmungspfad kann als jede Art eines druckbedingten Öffnungsmechanismus, wie Ventilen oder Lamellen, ausgebildet sein.
-
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids durch den Bypassströmungspfad als ein Lamellenventil ausgebildet.
-
Das Lamellenventil kann im geschlossenen Zustand an einer zur Hochdruckkammer weisenden Oberfläche der Grundplatte der feststehenden Spirale anliegen und den Bypassströmungspfad verschließen.
-
Die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids weist vorzugsweise einen Befestigungsbereich und einen Schließbereich auf, welche über einen stegförmigen Verbindungsbereich miteinander verbunden sind. Dabei kann die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung und mindestens ein ebenfalls als ein Lamellenventil ausgebildetes Auslassventil an ersten Enden, den Befestigungsbereich ausbildend, zu einer einstückigen Einheit miteinander verbunden sein. Die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung und das mindestens eine Auslassventil sind bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet angeordnet.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses an einem ersten Ende mit dem Befestigungsbereich an der Grundplatte der feststehenden Spirale fixiert. Mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende ist die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses mit dem Schließbereich, den Bypassströmungspfad verschließbar angeordnet.
-
Der Verbindungsbereich der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses ist über einer Länge vorteilhaft mit einer konstanten Breite ausgebildet, welche geringer ist als ein Durchmesser des im Wesentlichen kreisförmigen Schließbereichs. Der Verbindungsbereich kann dabei einen konstanten äußeren Radius derart aufweisen, dass der Verbindungsbereich als ein Abschnitt eines Kreisrings ausgebildet ist.
-
Der äußere Radius des Verbindungsbereichs entspricht vorzugsweise einem inneren Radius einer kreisringförmig aus einer zur Hochdruckkammer weisenden Oberfläche der Grundplatte der feststehenden Spirale hervorragend ausgebildeten Erhebung abzüglich eines Spiels zum relativen Bewegen der Vorrichtung in Bezug zur feststehenden Spirale.
-
Ein Verhältnis der Breite des Verbindungsbereichs zu einer Längsausdehnung der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses beträgt vorteilhaft 0,1. Ein Verhältnis der Längsausdehnung zum Radius des Verbindungsbereichs der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses weist insbesondere einen Wert in einem Bereich von 0,1 bis 10 auf.
-
Nach einer alternativen Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids ein Verschlusselement und ein Federelement auf. Dabei ist das Federelement eine Federkraft auf das Verschlusselement, den Bypassströmungspfad verschließend, einwirkend ausgerichtet. Das Verschlusselement kann die Form einer Kugel oder eines Kreiskegelstumpfes aufweisen. Das Federelement kann als eine zylindrische Schraubenfeder oder als ein Federblech ausgebildet sein.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids mit dem Gehäuse mit der Saugdruckkammer und der Hochdruckkammer sowie dem die Saugdruckkammer und die Hochdruckkammer strömungstechnisch miteinander verbindenden Bypassströmungspfad sowie der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses des Fluids durch den Bypassströmungspfad gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - Verschließen des Bypassströmungspfades bei einem Betrieb der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids in einem Verdichtermodus und
- - Öffnen des Bypassströmungspfades zum Durchströmen von Fluid in einer Strömungsrichtung von der Saugdruckkammer in die Hochdruckkammer.
Dabei wird die Strömungsrichtung des Fluids stets durch Druckniveaus des Fluids innerhalb der Saugdruckkammer und der Hochdruckkammer eingestellt.
-
Damit wird sichergestellt, dass der eigentlich außer Betrieb gesetzte Verdichtungsmechanismus infolge eines Durchströmens mit Fluid nicht ungewollt in Bewegung gesetzt beziehungsweise aktiviert wird. Infolge des möglichen zumindest anteiligen Durchströmens des Bypassströmungspfades anstelle des Verdichtungsmechanismus mit dem Fluid wird der Verdichtungsmechanismus, insbesondere die orbitierende Spirale, nicht in eine Drehbewegung versetzt, welche wiederum über die Antriebswelle auf den Rotor des Elektromotors übertragen würde und in den Spulen des Stators unerwünscht hohe Spannungen induzieren würde. Der Verdichtungsmechanismus wird zumindest lediglich von einem derart geringen Massenstrom des Fluids durchströmt, dass über den in Bewegung gesetzten Rotor keine unerwünscht hohen Spannungen in den Spulen des Stators des Elektromotors induziert werden.
-
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die minimale Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf, ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.
-
Die Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids ist vorteilhaft für verschiedene Kältemittel, wie R134a, R1234yf, R1234ze, R744, R600a, R290, R152a und R32, einsetzbar.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids stellt zusammenfassend vorteilhaft eine einfache Konstruktion dar, welche lediglich minimale Kosten für die Herstellung, die Montage und den Betrieb erfordert.
-
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: einen elektrisch angetriebenen Verdichter mit einem Elektromotor als eine Vorrichtung zum Antreiben eines Verdichtungsmechanismus mit einem Bypassströmungspfad zwischen einer Saugdruckkammer und einer Hochdruckkammer in einer Schnittdarstellung sowie
- 1b: eine Detaildarstellung des Verdichtungsmechanismus des Verdichters aus 1a in einer Schnittdarstellung,
- 2a: den innerhalb einer Grundplatte einer feststehenden Spirale des Verdichtungsmechanismus zwischen der Saugdruckkammer und der Hochdruckkammer ausgebildeten Bypassströmungspfad mit einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses in einer ersten alternativen Ausgestaltungsform in einer Schnittdarstellung,
- 2b und 2c: jeweils eine Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses einer ersten alternativen Ausgestaltungsform nach 2a in einer Draufsicht,
- 2d: den zwischen der Saugdruckkammer und der Hochdruckkammer ausgebildeten Bypassströmungspfad mit der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses in der Ausgestaltungsform nach 2c in einer Schnittdarstellung,
- 3a: eine Detailansicht des innerhalb der Grundplatte der feststehenden Spirale des Verdichtungsmechanismus ausgebildeten Bypassströmungspfades mit der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses in einer Draufsicht sowie
- 3b und 3c: jeweils eine Detailansicht des innerhalb der Grundplatte der feststehenden Spirale des Verdichtungsmechanismus ausgebildeten Bypassströmungspfades mit geschlossener und geöffneter Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses nach 2a in einer Schnittdarstellung und
- 4: die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses in einer zweiten alternativen Ausgestaltungsform in einer Schnittdarstellung.
-
Aus 1a geht eine elektrisch angetriebene Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, in der Folge kurz als Verdichter 1 bezeichnet, mit einem in einem Gehäuse 2 angeordneten Elektromotor 4 als eine Vorrichtung zum Antreiben eines Verdichtungsmechanismus 3 zum Ansaugen, Verdichten und Auslassen von Kältemittel als gasförmiges Fluid in einer Schnittdarstellung hervor. Der Elektromotor 4 wird mit elektrischer Energie versorgt. In 1 b ist eine Detaildarstellung des Verdichtungsmechanismus 3 des Verdichters 1 aus 1a in einer Schnittdarstellung gezeigt.
-
Der Elektromotor 4 weist einen Stator 4b mit einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Statorkern und auf dem Statorkern aufgewickelte Spulen sowie einen innerhalb des Stators 4b angeordneten Rotor 4a auf. Der Rotor 4a wird in eine Rotationsbewegung versetzt, wenn den Spulen des Stators 4b elektrische Energie zugeführt wird. Der Rotor 4a ist koaxial innerhalb des Stators 4b und um eine Rotationsachse 5 drehbar angeordnet. Eine Antriebswelle 6 kann integral mit dem Rotor 4a oder als ein separates Element ausgebildet sein.
-
Der Elektromotor 4 sowie der mit einer feststehenden Spirale 3a und einer orbitierenden Spirale 3b ausgebildete Verdichtungsmechanismus 3 sind innerhalb eines vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens angeordnet. Dabei ist das Gehäuse 2 aus einem ersten Gehäuseelement 2a zur Aufnahme des Verdichtungsmechanismus 3 und einem zweiten Gehäuseelement 2b zur Aufnahme des Elektromotors 4 sowie vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminium, ausgebildet.
-
Die orbitierende Spirale 3b des Verdichtungsmechanismus 3, in welchem das dampfförmige Fluid, speziell das Kältemittel, verdichtet wird, wird über die mit dem Rotor 4a des Elektromotors 4 verbundene Antriebswelle 6 angetrieben.
-
Die feststehende Spirale 3a sowie die orbitierende Spirale 3b weisen jeweils eine Grundplatte 3a-2, 3b-2 und eine sich von der Grundplatte 3a-2, 3b-2 erstreckende, spiralförmig ausgebildete Wandung 3a-1, 3b-1 auf. Die Grundplatten 3a-2, 3b-2 sind derart zueinander angeordnet, dass die Wandungen 3a-1, 3b-1 ineinandergreifen. Die feststehende Spirale 3a ist innerhalb des Gehäuses 2 oder als ein Bestandteil des Gehäuses ausgebildet. Die orbitierende Spirale 3b ist über einen Exzenter 7 mit der um die Rotationsachse 5 rotierenden Antriebswelle 6 gekoppelt und wird auf einer kreisförmigen Bahn geführt. Die Antriebswelle 6 ist mit Radiallagern 8a, 8b am Gehäuse 2 abgestützt. Die orbitierende Spirale 3b ist über ein Radiallager 9 an der Antriebswelle 6, insbesondere am Exzenter 7, gehaltert angeordnet.
-
Bei der Bewegung der orbitierenden Spirale 3b relativ zur feststehenden Spirale 3a berühren sich die spiralförmigen Wandungen 3a-1, 3b-1 der Spiralen 3a, 3b an mehreren Stellen und bilden innerhalb der Wandungen 3a-1, 3b-1 mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume 10 aus, wobei benachbart angeordnete Arbeitsräume 10 unterschiedlich große Volumina begrenzen. In Reaktion auf die Bewegung der orbitierenden Spirale 3b relativ zur feststehenden Spirale 3a werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume 10 verändert. Die Volumina der Arbeitsräume 10 werden zur Mitte der spiralförmigen Wandungen 3a-1, 3b-1 hin zunehmend kleiner. Das zu verdichtende gasförmige Fluid, insbesondere das gasförmige Kältemittel, wird durch eine Ansaugkammer, aufgrund des Drucks des Kältemittels auch als Saugdruckkammer 11 bezeichnet, in den Arbeitsraum 10 angesaugt, durch die Bewegung der orbitierenden Spirale 3b relativ zur feststehenden Spirale 3a verdichtet und in eine Ausstoßkammer, aufgrund des Drucks des Kältemittels auch als Hochdruckkammer 12 bezeichnet, ausgelassen. Das in der Hochdruckkammer 12 auf Niveau des Hochdrucks eines Kältemittelkreislaufs vorliegende Kältemittel wird aus dem Verdichter 1 in den Kältemittelkreislauf gefördert.
-
Innerhalb der feststehenden Spirale 3a ist ein Bypassströmungspfad 13 vorgesehen. Der Bypassströmungspfad 13 ist als eine Durchgangsöffnung ausgebildet und erstreckt sich, die Saugdruckkammer 11 mit der Hochdruckkammer 12 des Verdichters 1 verbindend, durch die Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a hindurch. Der Bypassströmungspfad 13 ist beim Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus und damit im Normalbetrieb des Verdichters 1, gemäß der 1a und 1b, durch eine Vorrichtung 14-1 zum Regeln eines Durchflusses verschlossen.
-
Die Vorrichtung 14-1 zum Regeln des Durchflusses ist als ein Ventil, speziell als ein Rückschlagventil ausgebildet, welches den Durchfluss des Fluids durch den Bypassströmungspfad 13 lediglich in einer Strömungsrichtung des Fluids von der Saugdruckkammer 11 in die Hochdruckkammer 12 gewährleistet und in einer entgegengesetzt zu dieser Strömungsrichtung verlaufenden Richtung von der Hochdruckkammer 12 in die Saugdruckkammer 11 verhindert. Beim Durchströmen des Bypassströmungspfades 13 von der Saugdruckkammer 11 in die Hochdruckkammer 12 ist die Vorrichtung 14-1 geöffnet. Ein Durchfluss des Bypassströmungspfades 13 von der Hochdruckkammer 12 in die Saugdruckkammer 11, speziell beim Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus, ist nicht möglich.
-
In 2a ist der innerhalb der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a des Verdichtungsmechanismus 3 zwischen der Saugdruckkammer 11 und der Hochdruckkammer 12 ausgebildete Bypassströmungspfad 13 mit der Vorrichtung 14-1 zum Regeln des Durchflusses in einer ersten alternativen Ausgestaltungsform in einer Schnittdarstellung gezeigt. Aus den 2b und 2c geht jeweils die Vorrichtung 14-1 zum Regeln des Durchflusses einer ersten alternativen Ausgestaltungsform nach 2a in einer Draufsicht hervor. Zudem ist in 2d der zwischen der Saugdruckkammer 11 und der Hochdruckkammer 12 ausgebildete Bypassströmungspfad 13 mit der Vorrichtung 14-1 zum Regeln des Durchflusses in der Ausgestaltungsform nach 2c in einer Schnittdarstellung gezeigt.
-
Die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung 14-1 ist an einer zur Hochdruckkammer 12 weisenden Oberfläche der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a, den Bypassströmungspfad 13 verschließend angeordnet. Dabei verhindert das die Funktion eines Rückschlagventils erfüllende Lamellenventil beim Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus ein Rückströmen des verdichteten, aus dem Arbeitsraum 10 auf dem Niveau des Hochdrucks HD in die Hochdruckkammer 12 ausgelassenen Fluids zurück in die Saugdruckkammer 11. Der Bypassströmungspfad 13 ist im zur Hochdruckkammer 12 weisenden Endbereich als eine in axialer Richtung und damit in Richtung der Rotationsachse 5 ausgerichtete Sackbohrung 13-1 ausgebildet.
-
Die als ein ausgestanztes Blech ausgebildete Vorrichtung 14-1 weist die Form eines Fingers auf und ist im Bereich eines ersten Endes, welcher auch als Befestigungsbereich 14-1 a bezeichnet wird, an der feststehenden Spirale 3a, insbesondere an der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a des Verdichtungsmechanismus 3, fixiert. Das Blech liegt mit der zur Hochdruckkammer 12 weisenden Oberfläche an der Grundplatte 3a-2 an und ist im Befestigungsbereich 14-1 a an der Grundplatte 3a-2 fixiert. An einem distal zum ersten Ende ausgebildeten zweiten Ende weist die Vorrichtung 14-1 einen Schließbereich 14-1b zum Verschließen eines Endes des als Durchgangsöffnung ausgebildeten Bypassströmungspfades 13 auf. Die Enden der fingerförmigen Vorrichtung 14-1 sind über einen stegförmigen Verbindungsbereich 14-1 c miteinander verbunden. Da der Verbindungsbereich 14-1c mit einer geringeren Breite als der im Wesentlichen kreisförmige Schließbereich 14-1b ausgebildet ist, weist die Vorrichtung 14-1 in der Draufsicht die Form eines Löffels auf.
-
Der Verbindungsbereich 14-1 c ist über der Länge sowohl mit einer konstanten Breite B als auch einem konstanten Radius R ausgebildet, sodass der Verbindungsbereich 14-1c der Vorrichtung 14-1 als ein Abschnitt eines Kreisrings ausgebildet ist. Der äußere Radius R des Verbindungsbereichs 14-1c entspricht dabei im Wesentlichen einem inneren Radius einer ebenfalls kreisringförmig ausgebildeten Erhebung 3a-3 der feststehenden Spirale 3a. Die Erhebung 3a-3 ist als eine aus der zur Hochdruckkammer 12 weisenden Oberfläche der Grundplatte 3a-2 hervorragende Wandung mit einem Durchmesser D4 der nach innen weisenden Seite ausgebildet. Dabei ist zwischen dem äußeren Radius R des Verbindungsbereichs 14-1c und dem inneren Radius beziehungsweise dem inneren Durchmesser D4 der Erhebung 3a-3 ein Spiel zum Bewegen der Vorrichtung 14-1 vorgesehen.
-
Bei der Ausführungsform nach 2b ist die Vorrichtung 14-1 als ein Einzelelement ausgebildet, während die Vorrichtung 14-1 gemäß der Ausführungsform aus 2c im Befestigungsbereich 14-1a mit anderen, ebenfalls als Lamellen ausgebildeten Ventilen, beispielsweise Auslassventilen, verbunden ist. Die Ventile und die Vorrichtung 14-1 sind dabei als eine einstückige beziehungsweise zusammenhängende Komponente, auch als Verbund bezeichnet, ausgebildet.
-
Aus den 2c und 2d gehen die Verhältnisse der Abmessungen eines in der Grundplatte 3a-2 ausgebildeten Bypassströmungspfades 13 und einer den Bypassströmungspfad 13 verschließenden Vorrichtung 14-1 einer beispielhaften Ausführungsform hervor. Gemäß weiterer Ausführungsformen können die Verhältnisse um Faktoren im Bereich von 0,1 bis 10 variieren.
-
Ein erstes Verhältnis zwischen einem Durchmesser D1 des Schließbereichs 14-1b der Vorrichtung 14-1 und einem Durchmesser D2 der in axialer Richtung ausgerichteten Sackbohrung 13-1 des Bypassströmungspfades 13 liegt im Bereich von 1,25 bis 1,75 und stellt die dichtende Funktion der Vorrichtung 14-1 sicher.
-
Ein zweites Verhältnis von einem Strömungsdurchmesser D3 des Bypassströmungspfades 13 zu einer Länge L des Bypassströmungspfades 13 ist größer als 0,25. Damit wird ein Durchströmen des Bypassströmungspfades 13 mit Fluid und folglich ein Abbauen des Drucks innerhalb der Saugdruckkammer 11 möglich, ohne dabei den Verdichtungsmechanismus 3 des Verdichters 1 in eine derartige Drehbewegung zu versetzen, dass ein definiertes Spannungsniveau überschritten wird.
-
Ein drittes Verhältnis des Durchmessers D2 der Sackbohrung 13-1 des Bypassströmungspfades 13 zum Strömungsdurchmessers D3 des Bypassströmungspfades 13 liegt im Bereich von 1,05 bis 2,1. In einer alternativen Ausführungsform mit einem in axialer Richtung verlaufenden Bypassströmungspfad 13 ohne Sackbohrung 13-1 liegt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser D1 des Schließbereichs 14-1b der Vorrichtung 14-1 und des Strömungsdurchmesser D3 des Bypassströmungspfades 13 im Bereich von 1,25 bis 1,75. Dabei ist das zweite Verhältnis aus Strömungsdurchmesser D3 des Bypassströmungspfades 13 und Länge L des Bypassströmungspfades 13 weiterhin größer als 0,25.
-
Eine Längsausdehnung A der Vorrichtung 14-1 ist von der Position des Bypassströmungspfades 13 innerhalb der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a abhängig. Dabei steht die Breite B des Verbindungsbereichs 14-1c in einem Verhältnis von 0,1 zur Längsausdehnung A. Die Vorrichtung 14-1 weist dabei eine Krümmung mit dem Radius R auf, welche in einem Verhältnis von 0,5 zum Durchmesser D4 steht. In weiteren Ausführungsformen kann das Verhältnis aus der Längsausdehnung A der Vorrichtung 14-1 und dem Radius R in einem Bereich von 0,1 bis 10 liegen. Das Verhältnis des Radius R zum Durchmesser D4 kann im Bereich von 0,3 bis unendlich liegen, wenn die Vorrichtung 14-1 insbesondere im Verbindungsbereich 14-1c gerade und damit mit einem unendlich großen Radius R ausgebildet ist.
-
Bei der alternativen geraden Ausbildung der Vorrichtung 14-1 beträgt das Verhältnis der Breite B des Verbindungsbereichs 14-1c zur Längsausdehnung A vorzugsweise 0,2.
-
Da das verdichtete Kältemittel innerhalb der Hochdruckkammer 12 auf dem Niveau des Hochdrucks HD vorliegt und das Kältemittel innerhalb der Saugdruckkammer 11 sowie dem Bypassströmungspfad 13 im Ansaugzustand ein Niveau des Niederdrucks ND aufweist, wird die als Lamelle ausgebildete Vorrichtung 14-1 aufgrund des Druckunterschieds gegen die Oberfläche der Grundplatte 3a-2 gedrückt. Der Druck auf dem Niveau des Hochdrucks HD ist größer als der Druck auf dem Niveau des Niederdrucks ND.
-
In 3a ist eine Detailansicht des innerhalb der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a des Verdichtungsmechanismus 3 ausgebildeten Bypassströmungspfades 13 mit der Vorrichtung 14-1 in einer Draufsicht gezeigt. Aus den 3b und 3c geht jeweils eine Detailansicht des innerhalb der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a des Verdichtungsmechanismus 3 ausgebildeten Bypassströmungspfades 13 mit geschlossener und geöffneter Vorrichtung 14-1 zum Regeln des Durchflusses nach 2a in einer Schnittdarstellung hervor.
-
Die 3b zeigt den Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus und schematisch die Anordnung der Vorrichtung 14-1 aus 2a. Das innerhalb der Hochdruckkammer 12 auf dem Niveau des Hochdrucks HD verdichtete Kältemittel drückt die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung 14-1 gegen die Oberfläche der Grundplatte 3a-2 und verschließt derart den Bypassströmungspfad 13. Das Kältemittel wird am Überströmen von der Hochdruckkammer 12 durch den Bypassströmungspfad 13 in die Saugdruckkammer 11, in welcher das Kältemittel auf dem Niveau des Niederdrucks ND vorliegt, gehindert.
-
In 3c ist der vom Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus abweichende Betrieb mit abgeschaltetem Elektromotor 4 mit einem Massenstrom des Kältemittels in Strömungsrichtung 15 durch den Bypassströmungspfad 13 gezeigt. Der Bypassströmungspfad 13 ist geöffnet. Die Vorrichtung 14-1 ist beabstandet zur Oberfläche der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a angeordnet. Zwischen der Oberfläche der Grundplatte 3a-2 der feststehenden Spirale 3a und der Vorrichtung 14-1 ist ein geöffneter Spalt ausgebildet.
-
Das Kältemittel in der Saugdruckkammer 11 weist im Unterschied zum Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus einen höheren Druck auf als das Kältemittel innerhalb der Hochdruckkammer 12, sodass das Kältemittel die als Lamellenventil ausgebildete Vorrichtung 14-1 von der Oberfläche der Grundplatte 3a-2 wegdrückt und derart den Bypassströmungspfad 13 öffnet. Das Kältemittel strömt aufgrund der unterschiedlichen Druckniveaus durch den Bypassströmungspfad 13 von der Saugdruckkammer 11 in die Hochdruckkammer 12 über.
-
Eine derartige Drucksituation innerhalb des Verdichters 1 kann beispielsweise bei Außerbetriebnahme des Elektromotors 4, beispielsweise durch gewolltes Abschalten oder eine ungewollte Unterbrechung der Versorgung des Elektromotors 4 mit elektrischer Energie, insbesondere durch einen Unfall, auftreten. Um zu verhindern, dass das Kältemittel wie beim Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus vollständig durch den Verdichtungsmechanismus 3 strömt und dabei den Verdichtungsmechanismus 3 antreibt, sodass der Rotor 4a des Elektromotors 4 innerhalb des Stators 4b vom Verdichtungsmechanismus 3 angetrieben sowie bewegt wird und derart in den Spulen des Stators 4b eine elektrische Spannung induziert wird, welche dann im Bordnetz des Kraftfahrzeugs anliegen würde, wird zumindest ein Anteil des Massenstroms des Kältemittels in Strömungsrichtung 15 durch den Bypassströmungspfad 13 und folglich um den Verdichtungsmechanismus 3 herumgeleitet. Damit wird vermieden, dass die in den Spulen des Stators 4b des Elektromotors 4 induzierte Spannung bestimmte Grenzwerte übersteigt.
-
Der Bypassströmungspfad 13 kann an jeder geeigneten Stelle innerhalb oder außerhalb des Verdichters 1, die Saugdruckkammer 11 mit der Hochdruckkammer 12 verbindend, ausgebildet sein. Dabei kann der Bypassströmungspfad 13 zum Öffnen und Verschließen jede Art von druckbedingtem Öffnungsmechanismus, wie Ventile oder Lamellen, aufweisen.
-
In 4 ist die Vorrichtung 14-2 zum Regeln des Durchflusses in einer zweiten alternativen Ausgestaltungsform beim Betrieb des Verdichters 1 im Verdichtermodus in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die ebenfalls als ein Rückschlagventil ausgebildete Vorrichtung 14-2 ist geschlossen. Der Druck des Kältemittels in der Hochdruckkammer 12 ist größer als der Druck in der Saugdruckkammer 11.
-
Die Vorrichtung 14-2 weist ein kugelförmiges Verschlusselement 16 und ein Federelement 17 auf. Das Federelement 17 ist als eine zylindrische Schraubenfeder ausgebildet. Der Bypassströmungspfad 13 ist mit dem kugelförmigen Verschlusselement 16 verschließbar. Dabei wirkt die Federkraft des Federelements 17 den Bypassströmungspfad 13 verschließend auf das Verschlusselement 16 ein.
-
Bei ansteigendem Druckniveau des Kältemittels innerhalb der Saugdruckkammer 11 relativ zum Druckniveau des Kältemittels innerhalb der Hochdruckkammer 12 wird das Verschlusselement 16 gegen die von dem Federelement 17 aufgebrachte Kraft in Richtung der Hochdruckkammer 12 gedrückt. Dabei gibt das Verschlusselement 16 den Bypassströmungspfad 13 frei, sodass das Kältemittel den Bypassströmungspfad 13 in Richtung der Hochdruckkammer 12 passieren kann. Bei einem zu geringen Druckniveau des Kältemittels innerhalb der Saugdruckkammer 11 relativ zum Druckniveau des Kältemittels innerhalb der Hochdruckkammer 12 wird das Verschlusselement 16 durch das Federelement 17 den Bypassströmungspfad 13 verschließend in Richtung der Saugdruckkammer 11 gegen einen im Bypassströmungspfad 13 ausgebildeten Vorsprung gedrückt. Der Bypassströmungspfad 13 kann beispielsweise innerhalb der Wandung des Gehäuses 2 oder innerhalb einer anderen zwischen der Saugdruckkammer 11 und der Hochdruckkammer 12 angeordneten Komponente, wie der Grundplatte 3a-2 der feststehende Spirale 3a, ausgebildet sein.
-
Das Verschlusselement kann alternativ auch in der Form eines Kreiskegelstumpfes ausgebildet sein. Das kreiskegelstumpfförmige Verschlusselement weist insbesondere einen konischen Querschnitt mit einer Grundfläche und einer Deckfläche auf, wobei die Grundfläche und die Deckfläche parallel zueinander angeordnet sind. Die schräg gestellte Mantelfläche des Verschlusselements liegt im geschlossenen Zustand am im Bypassströmungspfad 13 ausgebildeten Vorsprung an. Die von dem Federelement 17 aufgebrachte Federkraft wirkt auf die Grundfläche des Verschlusselements und drückt das Verschlusselement im geschlossenen Zustand mit der Mantelfläche an den im Bypassströmungspfad 13 ausgebildeten Vorsprung.
-
Das Federelement kann anstelle der zylindrischen Schraubenfeder auch als ein Federblech ausgebildet sein. Das Federblech kann dabei sowohl mit dem kugelförmigen Verschlusselement 16 als auch mit dem kreiskegelstumpfförmigen Verschlusselement kombiniert sein.
-
Die Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses durch den Bypassströmungspfad 13 kann zudem in beliebiger Ausgestaltung eines Rückschlagventils ausgebildet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung, Verdichter
- 2
- Gehäuse
- 2a
- erstes Gehäuseelement
- 2b
- zweites Gehäuseelement
- 3
- Verdichtungsmechanismus
- 3a
- feststehende Spirale
- 3a-1
- Wandung der feststehenden Spirale 3a
- 3a-2
- Grundplatte der feststehende Spirale 3a
- 3a-3
- Erhebung der feststehenden Spirale 3a
- 3b
- orbitierende Spirale
- 3b-1
- Wandung der orbitierenden Spirale 3b
- 3b-2
- Grundplatte der orbitierenden Spirale 3b
- 4
- Elektromotor
- 4a
- Rotor
- 4b
- Stator
- 5
- Rotationsachse
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Exzenter
- 8a, 8b
- Radiallager der Antriebswelle 6 zum Gehäuse 2
- 9
- Radiallager der beweglichen Spirale 3b zur Antriebswelle 6
- 10
- Arbeitsraum
- 11
- Saugdruckkammer
- 12
- Hochdruckkammer
- 13
- Bypassströmungspfad
- 13-1
- Sackbohrung
- 14-1, 14-2
- Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses
- 14-1a
- Befestigungsbereich
- 14-1b
- Schließbereich
- 14-1c
- Verbindungsbereich
- 15
- Strömungsrichtung
- 16
- Verschlusselement
- 17
- Federelement
- HD
- Hochdruck
- ND
- Niederdruck
- A
- Längsausdehnung
- B
- Breite des Verbindungsbereichs 14-1c
- D1
- Durchmesser des Schließbereichs 14-1b
- D2
- Durchmesser der Sackbohrung 13-1
- D3
- Strömungsdurchmesser des Bypassströmungspfades 13
- D4
- Durchmesser der Erhebung 3a-3
- L
- Länge des Bypassströmungspfades 13
- R
- Radius
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
