DE102023102908A1

DE102023102908A1 - Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102023102908A1
Application number: DE102023102908.8A
Authority: DE
Inventors: Kadir Dursun; Dirk Gutberlet; Steffen Koch
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2023-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Verdichten eines gasförmigen Fluids von einem Niveau eines Niederdrucks pNin einem Ansaugbereich (13) auf ein Niveau eines Hochdrucks pHin einem Hochdruckbereich, insbesondere einen Scrollverdichter. Die Vorrichtung (1) weist ein Gehäuse (2) mit einer Gegenwandung (11) und einen Verdichtungsmechanismus mit einem unbeweglichen Stator (3) sowie einem über einen Exzenterantrieb angetriebenen beweglichen Orbiter (4) auf. Dabei sind das Gehäuse (2) mit der Gegenwandung (11) und der Orbiter (4) eine Gegendruckkammer (12) zumindest bereichsweise umschließend ausgebildet. Der Exzenterantrieb ist über mindestens ein Lager (9, 10) abgestützt, wobei das mindestens eine Lager (9, 10) innerhalb der Gegendruckkammer (12) angeordnet ist. Ein sich vom Hochdruckbereich durch die Gegendruckkammer (12) hindurch bis in den Ansaugbereich (13) erstreckender Strömungspfad (18) für das verdichtete Fluid ist derart ausgebildet, dass ein ungeteilter Massenstrom des Fluids die Gegendruckkammer (12) mit dem mindestens einen Lager (9, 10) durchströmt. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere einen Scrollverdichter zum Verdichten eines Kältemittels. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Gegenwandung und einen Verdichtungsmechanismus mit einem unbeweglichen Stator sowie einem über einen Exzenterantrieb angetriebenen beweglichen Orbiter auf. Das Gehäuse mit der Gegenwandung und der Orbiter umschließen eine Gegendruckkammer. Der Exzenterantrieb des Orbiters ist über mindestens ein Lager abgestützt, welches innerhalb der Gegendruckkammer angeordnet ist. 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 Scrollverdichter weisen neben einem Gehäuse, einen unbeweglichen, feststehenden Stator mit einer scheibenförmigen Grundplatte und einer sich von einer Seite der Grundplatte erstreckenden, spiralförmigen Wandung sowie einen beweglichen Orbiter ebenfalls mit einer scheibenförmigen Grundplatte und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte erstreckenden, spiralförmigen Wandung auf. Der Stator und der Orbiter wirken zusammen. Dabei sind die Grundplatten derart zueinander angeordnet, dass die spiralförmigen Wandungen in axialer Richtung ineinandergreifen.
Der Orbiter wird mittels eines Exzenterantriebs, aufweisend eine Antriebswelle und ein Zwischenelement, auf einer kreisförmigen Bahn bewegt. Die Antriebswelle ist über ein erstes Lager, auch als Hauptlager bezeichnet, am Gehäuse abgestützt, während der über das Zwischenelement mit der Antriebswelle exzentrisch verbundene Orbiter über ein zweites Lager, auch als Antriebslager bezeichnet, auf dem Zwischenelement abgestützt ist.
In axialer Richtung ausgebildete Spalte zwischen Stator und Orbiter sollten minimal sein, was durch ein Anpassen der axialen Ausdehnung der spiralförmigen Wandungen und damit der Höhen der Wandungen zusammen mit auf den Stirnseiten der Wandungen aufgebrachten Dichtelementen beziehungsweise durch ein Anpressen des Orbiters an den Stator gewährleistet wird.
Die zum Stand der Technik gehörenden Scrollverdichter weisen dabei eine innerhalb des Gehäuses angeordnete und fest mit dem Gehäuse verbundene Wandung auf, welche als Begrenzung eines Gegendruckbereichs ausgebildet ist und folglich auch als Gegenwandung bezeichnet wird. Aufgrund des innerhalb des zwischen der Gegenwandung und dem Orbiter, insbesondere einer Rückseite der Grundplatte des Orbiters, ausgebildeten Gegendruckbereichs, auch als Gegendruckkammer bezeichnet, vorherrschenden Gegendrucks wird der Orbiter mit einer in axialer Richtung wirkenden Kraft gegen den, ebenso wie die Gegenwandung am Gehäuse fixierten Stator gedrückt. Die in der axialen Richtung wirkende Druckkraft wird durch den innerhalb des Gegendruckbereichs vorherrschenden Gegendruck, auch als Anpressdruck bezeichnet, gesteuert oder geregelt. Dabei liegt das Niveau des Anpressdrucks als ein Zwischendruck beziehungsweise Mitteldruck zwischen den Niveaus des Hochdrucks und des Niederdrucks als Auslassdruck und Saugdruck des Verdichters.
Die mit Hochdruck und Gegendruck sowie mit Gegendruck und Niederdruck beaufschlagten Bereiche des Verdichters sind beispielsweise jeweils über Strömungskanäle mit integrierten Expansionsvorrichtungen miteinander verbunden. Die Expansionsvorrichtungen sind beispielsweise in einem einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich miteinander verbindenden Strömungskanal angeordnet. Ein innerhalb des Strömungskanals zwischen den Expansionsvorrichtungen ausgebildeter Zwischenraum ist über einen Verbindungskanal mit dem Gegendruckbereich verbunden. Durch den Verbindungskanal strömt ein sehr begrenzter Massenstrom des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise eines Gemisches aus dem Fluid und Öl als Schmiermittel des Verdichters aus der Gegendruckkammer zu den im Strömungskanal angeordneten Expansionsvorrichtungen. Die Expansionsvorrichtungen sind bevorzugt als Düsen ausgebildet.
Beim Betrieb des Verdichters können einerseits durch externe Quellen, wie Komponenten des Kältemittelkreislaufs des Klimatisierungssystems des Kraftfahrzeugs, oder andererseits durch internen Verschleiß, beispielsweise durch Abrieb beweglicher Elemente im Verdichter, wie die reibende Führung des Orbiters im Gehäuse oder zwischen Orbiter und Stator, Verunreinigungen in Form fester Partikel im Verdichter auftreten. Diese überwiegend innerhalb der Gegendruckkammer entstehenden oder in die Gegendruckkammer verbrachten festen Partikel werden aufgrund des geringen Massenstroms des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise des Gemisches aus dem Fluid und Öl in oder durch die Gegendruckkammer für die gesamte Lebensdauer des Verdichters innerhalb der Gegendruckkammer gespeichert. Die Kontamination mit den festen Partikeln verringert die Lebensdauer des Verdichters, insbesondere der innerhalb der Gegendruckkammer angeordneten Hauptlager und Antriebslager des Exzenterantriebs sowie der Dichtelemente der Gegendruckkammer, deutlich.
Zudem steigen zunehmend die Anforderungen an die Lebensdauer der Verdichter, was für jede einzelne Komponente und speziell die Lager eine große Herausforderung darstellt. Die steigenden Anforderungen an die Lebensdauer der Lager stehen dabei den begrenzten Abmessungen und damit dem begrenzten Bauraum gegenüber. Die sich in der Gegendruckkammer ansammelnden festen Partikel als Verunreinigungen stellen dabei einen erheblichen Anteil am Versagen und damit am Verkürzen der Lebensdauer der Lager dar.
Die festen Partikel werden von den Wälzkörpern der Lager überrollt. Dabei können sowohl die Laufbahn und die Wälzkörper als auch der Käfig des Lagers beschädigt werden, sodass es zum Ermüden und je nach Laufzeit zu einem Ausfall des entsprechenden Lagers kommen kann. Aufgrund des geringen Massenstroms des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise des Gemisches aus dem Fluid und Öl in oder durch die Gegendruckkammer können die während des Betriebes entstehenden festen Partikel nicht sicher aus der Gegendruckkammer herausgefördert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht im Bereitstellen einer Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere der Weiterentwicklung eines Scrollverdichters, um einen störungsfreien Betrieb mit maximaler Lebensdauer der Vorrichtung zu gewährleisten. Dabei ist insbesondere das Ansammeln von Verunreinigungen zu vermeiden, welche insbesondere zum Zerstören und folglich zum Ausfall der Lager des Exzenterantriebs führen können. Die Vorrichtung soll keine größere Anzahl an Einzelkomponenten aufweisen und konstruktiv einfach realisierbar sein, auch um die Kosten bei der Montage und der Wartung gering zu halten.
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 von einem Niveau eines Niederdrucks auf ein Niveau eines Hochdrucks, insbesondere einen Scrollverdichter zum Verdichten eines Kältemittels, gelöst. Dabei liegt das zu verdichtende Fluid in einem Ansaugbereich auf dem Niveau des Niederdrucks und das verdichtete Fluid in einem Hochdruckbereich, speziell an einem Auslass der Vorrichtung, auf dem Niveau des Hochdrucks vor. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Gegenwandung und einen Verdichtungsmechanismus mit einem unbeweglichen Stator sowie einem über einen Exzenterantrieb angetriebenen beweglichen Orbiter auf.
Das Gehäuse mit der Gegenwandung und der Orbiter umschließen zumindest bereichsweise gemeinsam eine Gegendruckkammer. Der Exzenterantrieb des Orbiters ist über mindestens ein Lager abgestützt gehaltert. Dabei ist das mindestens eine Lager innerhalb der Gegendruckkammer angeordnet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist ein sich vom Hochdruckbereich durch die Gegendruckkammer hindurch bis in den Ansaugbereich erstreckender Strömungspfad für das verdichtete Fluid oder ein Gemisch aus dem Fluid und einem Öl derart ausgebildet, dass ein ungeteilter Massenstrom des Fluids oder des Gemischs die Gegendruckkammer mit dem mindestens einen Lager des Exzenterantriebs des Orbiters durchströmt.
Der Strömungspfad kann ebenso als eine interne Ölrückführung innerhalb des Verdichters zum Schmieren von beweglichen Komponenten dienen. Der Verdichter ist vorzugsweise als ein elektrisch angetriebener Verdichter ausgebildet. Dabei wird der Verdichtungsmechanismus mittels eines Elektromotors angetrieben.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens eine erste Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Fluids vom Niveau des Hochdrucks p_H im Hochdruckbereich auf ein Niveau eines Zwischendrucks pz in der Gegendruckkammer sowie eine zweite Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Fluids vom Niveau des Zwischendrucks pz in der Gegendruckkammer auf das Niveau des Niederdrucks p_N im Ansaugbereich auf.
Die Expansionsvorrichtung ist vorteilhaft jeweils innerhalb eines Strömungskanals angeordnet. Dabei ist die erste Expansionsvorrichtung vorzugsweise innerhalb eines ersten Strömungskanals angeordnet, welcher sich zwischen dem Hochdruckbereich und der Gegendruckkammer erstreckt. Die zweite Expansionsvorrichtung ist bevorzugt innerhalb eines zweiten Strömungskanals angeordnet, welcher sich zwischen der Gegendruckkammer und dem Ansaugbereich erstreckt. Der erste Strömungskanal kann innerhalb des Gehäuses oder innerhalb des Stators ausgebildet sein, während der zweite Strömungskanal insbesondere innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zweigt der erste Strömungskanal an einem ersten Ende direkt vom Hochdruckbereich ab und ist an einem zweiten, zum ersten Ende distalen Ende über einen ersten Verbindungskanal mit der Gegendruckkammer verbunden. Der zweite Strömungskanal mündet vorzugsweise an einem ersten Ende direkt in den Ansaugbereich ein und ist an einem zweiten, zum ersten Ende distalen Ende über einen zweiten Verbindungskanal mit der Gegendruckkammer verbunden. Der Verbindungskanal ist jeweils insbesondere innerhalb des Gehäuses ausgebildet.
Die Expansionsvorrichtung kann jeweils als eine Düse oder als ein Widerstandselement mit laminarer Durchflusscharakteristik oder als ein Regelventil ausgebildet sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der sich vom Hochdruckbereich durch die Gegendruckkammer hindurch bis in den Ansaugbereich erstreckende Strömungspfad ein Filtersystem zum Filtern des Fluids auf.
Der ersten Expansionsvorrichtung kann in Strömungsrichtung des Fluids ein Filterelement vorgelagert sein.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erste Verbindungskanal und/oder der zweite Verbindungskanal des Strömungspfades für das Fluid als eine innerhalb des Gehäuses eingebrachte Nut ausgebildet ist. Die Nut dient dabei als ein passives Filterelement ohne aktive Filterfunktion.
Zudem kann ein als Einlegefilter ausgebildetes Filterelement vorgesehen sein, welcher mit der Nut verbunden, insbesondere in die Nut integriert, ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Exzenterantrieb eine Antriebswelle und ein Zwischenelement auf. Dabei ist die Antriebswelle über das Zwischenelement mit dem Orbiter mechanisch verbunden.
Die Antriebswelle ist vorteilhaft über ein erstes Lager am Gehäuse abgestützt, während der Orbiter vorzugsweise über ein zweites Lager auf dem Zwischenelement abgestützt ist. Dabei ist mindestens eines der Lager oder sind beide Lager innerhalb der Gegendruckkammer angeordnet.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids vom Niveau des Niederdrucks im Ansaugbereich auf das Niveau des Hochdrucks im Hochdruckbereich gelöst.
Nach der Konzeption der Erfindung durchströmt ein Massenstrom des Fluids beim Strömen entlang des sich vom Hochdruckbereich durch die Gegendruckkammer hindurch bis in den Ansaugbereich erstreckenden Strömungspfades innerhalb der Gegendruckkammer angeordnete Lager des Exzenterantriebs des Verdichtungsmechanismus kontinuierlich.
Mit dem kontinuierlichen Durchströmen der Gegendruckkammer und folglich der in der Gegendruckkammer angeordneten Lager mit dem Fluid oder einem Gemisch aus dem Fluid und einem Öl wird das Ansammeln und Verbleiben von Verunreinigungen, speziell von festen Partikeln, in der Gegendruckkammer und damit auch in den Lagern verhindert. Damit wird speziell eine Kontamination der Lager mit den festen Partikeln vermieden, welche die Lager zerstören und derart zum Ausfall der Vorrichtung führen würden.
Mit der Ausbildung des Filtersystems wird zudem ein Spülen und damit Reinigen der Lager mittels eines gereinigten, insbesondere gefilterten Fluids ermöglicht, was die Lager zusätzlich vor einer Verschmutzung und damit Zerstörung schützt. Die entsprechenden Lager werden während des Betriebs der Vorrichtung in einem Reinigungsprozess kontinuierlich mit dem Fluid gespült.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung liegt damit im deutlichen Steigern der Lebensdauer der Vorrichtung, insbesondere in Bezug auf kontaminationsbedingte Ausfälle der Lager, speziell der Lager des Exzenterantriebs des Verdichtungsmechanismus.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1a: eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere einen Scrollverdichter, aus dem Stand der Technik mit einem Verdichtungsmechanismus in einer seitlichen Schnittdarstellung,
1b: einen Ausschnitt des Verdichtungsmechanismus des Scrollverdichters aus 1a mit integrierten Expansionsvorrichtungen in einer seitlichen Schnittdarstellung,
2a: eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere ein Scrollverdichter, mit dem Verdichtungsmechanismus und der Ausbildung eines Strömungspfades durch eine Gegendruckkammer in einer seitlichen Schnittdarstellung und
2b und 2c: jeweils eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung aus 2a in einer Draufsicht mit dem Strömungspfad durch die Gegendruckkammer.

Aus 1a geht eine Vorrichtung 1' zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere ein Scrollverdichter, aus dem Stand der Technik mit einem Verdichtungsmechanismus in einer seitlichen Schnittdarstellung hervor.
Die Vorrichtung 1' weist ein Gehäuse 2, einen unbeweglichen, feststehenden Stator 3 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 3a und einer sich von einer Seite der Grundplatte 3a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 3b sowie einen beweglichen Orbiter 4 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 4a und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte 4a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 4b auf. Stator 3 und Orbiter 4, welche auch kurz als unbewegliche oder feste Spirale 3 beziehungsweise als bewegliche Spirale 4 bezeichnet werden, wirken zusammen. Dabei sind die Grundplatten 3a, 4a derart zueinander angeordnet, dass die Wandung 3b des Stators 3 und die Wandung 4b des Orbiters 4 ineinandergreifen.
Die bewegliche Spirale 4 wird mittels eines Exzenterantriebs auf einer kreisförmigen Bahn bewegt. Bei der Bewegung der Spirale 4 berühren sich die Wandungen 3b, 4b an mehreren Stellen und bilden innerhalb der Wandungen 3b, 4b mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume 5 aus, wobei benachbart angeordnete Arbeitsräume 5 unterschiedlich große Volumina begrenzen. In Reaktion auf die gegenläufige Bewegung der zwei ineinander verschachtelten, spiralförmigen Wandungen 3b, 4b, insbesondere auf die Bewegung des Orbiters 4, werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume 5 verändert. Die Volumina der Arbeitsräume 5 werden zur Mitte beziehungsweise zum Zentrum der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b, welche auch als Spiralwandungen bezeichnet werden, hin zunehmend kleiner. Das zu verdichtende, die Arbeitsräume 5 beaufschlagende gasförmige Fluid, insbesondere ein Kältemittel, wird verdichtet und über einen Auslass 5a aus dem Arbeitsraum 5 ausgestoßen.
Der Exzenterantrieb wird aus einer Antriebswelle 6, welche um eine Rotationsachse 7 rotiert, und einem Zwischenelement 8 gebildet. Die Antriebswelle 6 ist über ein erstes Lager 9, insbesondere ein Kugellager, am Gehäuse 2 abgestützt. Der Orbiter 4 ist über das Zwischenelement 8 mit der Antriebswelle 6 exzentrisch verbunden, wobei die Achsen des Orbiters 4 und der Antriebswelle 6 versetzt zueinander angeordnet sind. Der Orbiter 4 ist über ein zweites Lager 10 auf dem Zwischenelement 8 abgestützt.
Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine am Gehäuse 2 fixierte Wandung, auch als Gegenwandung 11 bezeichnet, angeordnet. Zwischen der Gegenwandung 11 und der beweglichen Spirale 4 ist ein Gegendruckbereich 12, auch als Gegendruckkammer 12 bezeichnet, ausgebildet. Die Gegenwandung 11 begrenzt den zwischen dem Orbiter 4 und dem Gehäuse 2 ausgebildeten Gegendruckbereich 12 und bildet zudem eine Trennwand zwischen dem Gegendruckbereich 12 und einem Ansaugbereich 13 aus. Der Gegendruckbereich 12 ist dabei auf der Rückseite der Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4, bezüglich der spiralförmigen Wandungen 4b, ausgebildet.
Aufgrund des innerhalb des Gegendruckbereichs 12 vorherrschenden Gegendrucks wird die bewegliche Spirale 4 mit einer in axialer Richtung wirkenden Kraft gegen die am Gehäuse 2 fixierte feste Spirale 3 gedrückt. Die in der axialen Richtung wirkende Druckkraft als Ergebnis des an der Rückseite der scheibenförmigen Grundplatte 4a der beweglichen Spirale 4 anliegenden Gegendrucks pro Fläche wird durch den Gegendruck beziehungsweise Anpressdruck gesteuert oder geregelt. Das Niveau des Anpressdrucks liegt als ein Zwischendruck pz beziehungsweise Mitteldruck zwischen den Niveaus eines Hochdrucks p_H als Auslassdruck und eines Niederdrucks p_N als Saugdruck des Verdichters.
In 1b ist ein Ausschnitt des Verdichtungsmechanismus der Vorrichtung 1' aus 1a aus dem Stand der Technik mit integrierten Expansionsvorrichtungen 14', 15' in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt.
Die Gegendrucksysteme, englisch „back pressure systems“, der herkömmlichen Scrollverdichter weisen eine erste Expansionsvorrichtung 14' zum Expandieren des Kältemittels vom Niveau des Hochdrucks p_H auf das Niveau des Gegendrucks beziehungsweise des Zwischendrucks pz sowie eine zweite Expansionsvorrichtung 15' zum Expandieren des Kältemittels vom Niveau des Zwischendrucks pz auf das Niveau des Niederdrucks p_N jeweils in einer Kombination mit einer Steuereinrichtung oder einer Regeleinrichtung auf.
Die jeweils als ein Drosselelement, insbesondere eine Düse, ausgebildeten Expansionsvorrichtungen 14', 15' sind in einem den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich miteinander verbindenden Strömungskanal 16' angeordnet und dienen dem Erzeugen des Gegendrucks. Ein innerhalb des Strömungskanals 16' zwischen den Expansionsvorrichtungen 14', 15' ausgebildeter Zwischenraum ist über einen Verbindungskanal 17' mit dem Gegendruckbereich 12 hydraulisch verbunden.
Die Expansionsvorrichtungen 14', 15' bilden zusammen den Strömungskanal 16', welcher auch als Ölrückströmkanal bezeichnet wird und eine Komponente eines Ölrückströmsystems vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich darstellt. Die erste Expansionsvorrichtung 14' ist zwischen dem Hochdruckbereich sowie dem Zwischenraum und damit dem Verbindungskanal 17' zum Gegendruckbereich 12 angeordnet, während die zweite Expansionsvorrichtung 15' zwischen dem Zwischenraum und damit dem Verbindungskanal 17' zum Gegendruckbereich 12 sowie dem Ansaugbereich 13 angeordnet ist.
Aufgrund der Anordnung des Strömungskanals 16' mit den Expansionsvorrichtungen 14', 15' und dem Verbindungskanal 17' wird lediglich ein sehr begrenzter Massenstrom des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise eines Gemisches aus dem Fluid und Öl als Schmiermittel des Verdichters als ein Nebenmassenstrom in den Gegendruckbereich 12 eingeleitet beziehungsweise aus dem Gegendruckbereich 12 abgeleitet. Ein Hauptmassenstrom, von welchem der Nebenmassenstrom abzweigt, wird vom Hochdruckbereich durch die erste Expansionsvorrichtung 14' und anschließend durch die zweite Expansionsvorrichtung 15' direkt in den Ansaugbereich 13 geführt.
In 2a ist eine Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere ein Scrollverdichter, mit dem Verdichtungsmechanismus und der Ausbildung eines Strömungspfades 18 durch die Gegendruckkammer 12 in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Die im Vergleich zur in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtung 1' gleichen Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der wesentliche Unterschied zwischen der Vorrichtung 1' gemäß den 1a und 1b mit dem Strömungskanal 16', den Expansionsvorrichtungen 14', 15' und dem Verbindungskanal 17' einerseits sowie der Vorrichtung 1 aus 2a andererseits liegt in der Ausbildung des Strömungspfades 18 mit den Strömungskanälen 16a, 16b mit den Expansionsvorrichtungen 14, 15 und den Verbindungskanälen 17a, 17b jeweils zwischen dem Hochdruckbereich am Auslass der Vorrichtung 1 und dem Ansaugbereich 13 als Niederdruckbereich der Vorrichtung 1. Dabei unterscheiden sich die Ausbildungen des Strömungskanals 16' und des Verbindungskanals 17' der Vorrichtung 1' einerseits sowie der Strömungskanäle 16a, 16b und der Verbindungskanäle 17a, 17b der Vorrichtung 1 andererseits, in welchen jeweils die zum Erzeugen des Niveaus des Gegendrucks beziehungsweise des Zwischendrucks pz innerhalb der Gegendruckkammer 12 erforderlichen Expansionsvorrichtungen 14, 15 in Strömungsrichtung des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise des Gemisches aus dem Fluid und Öl jeweils nacheinander und damit in Form einer Kaskade angeordnet sind derart, dass die Gegendruckkammer 12 der Vorrichtung 1 nach 2a zwischen den Expansionsvorrichtungen 14, 15 ausgebildet ist. Die voneinander beabstandeten Expansionsvorrichtungen 14, 15 mit den entsprechenden Strömungskanälen 16a, 16b und die Verbindungskanäle 17a, 17b eines Strömungssystems der Vorrichtung 1 sind derart angeordnet, dass ein durch die Gegendruckkammer 12 führender Strömungspfad 18 ausgebildet ist.
Die erste Expansionsvorrichtung 14 ist innerhalb eines ersten Strömungskanals 16a zwischen dem Hochdruckbereich und der Gegendruckkammer 12 angeordnet, während die zweite Expansionsvorrichtung 15 innerhalb eines zweiten Strömungskanals 16b zwischen der Gegendruckkammer 12 und dem Ansaugbereich 13 angeordnet ist.
Der erste Strömungskanal 16a zweigt an einem ersten Ende direkt vom Hochdruckbereich ab und ist an einem zweiten Ende über einen ersten Verbindungskanal 17a mit der Gegendruckkammer 12 verbunden. Der erste Verbindungskanal 17a erstreckt sich folglich zwischen dem zweiten Ende des ersten Strömungskanals 16a und der Gegendruckkammer 12 und mündet in die Gegendruckkammer 12 ein.
Der zweite Strömungskanal 16b mündet an einem ersten Ende direkt in den Ansaugbereich 13 ein und ist an einem zweiten Ende über einen zweiten Verbindungskanal 17b mit der Gegendruckkammer 12 verbunden. Der zweite Verbindungskanal 17b erstreckt sich folglich zwischen dem zweiten Ende des zweiten Strömungskanals 16b und der Gegendruckkammer 12.
Damit erstreckt sich der Strömungspfad 18 in Strömungsrichtung des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise des Gemisches aus dem Fluid und Öl ausgehend vom Hochdruckbereich durch den ersten Strömungskanal 16a mit der ersten Expansionsvorrichtung 14 und den ersten Verbindungskanal 17a zur Gegendruckkammer 12, durch die Gegendruckkammer 12 hindurch und von der Gegendruckkammer 12 durch den zweiten Verbindungskanal 17b und den zweiten Strömungskanal 16b mit der zweiten Expansionsvorrichtung 15 zum Ansaugbereich 13.
Der erste Strömungskanal 16a kann dabei innerhalb des Gehäuses 2 oder dem Stator 3 ausgebildet sein, während der zweite Strömungskanal 16b und die Verbindungskanäle 17a, 17b innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildet sind.
Das Strömungssystem der Vorrichtung 1 ist mit den Expansionsvorrichtungen 14, 15, Strömungskanälen 16a, 16b und Verbindungskanälen 17a, 17b derart ausgebildet, dass der Massenstrom des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise des Gemisches aus dem Fluid und Öl entlang des Strömungspfades 18 als ein ungeteilter Gesamtmassenstrom durch die Gegendruckkammer 12 geleitet wird. Der damit als konstanter durch die Gegendruckkammer 12 geführte Massenstrom beaufschlagt die innerhalb der Gegendruckkammer 12 angeordneten Lager 9, 10 des Exzenterantriebs des Verdichtungsmechanismus, sodass die Lager 9, 10 während des Betriebs der Vorrichtung 1 kontinuierlich gespült sowie gereinigt und damit vor Verunreinigungen geschützt werden.
Um zudem Verunreinigungen aus dem Massenstrom des im Verdichter verdichteten Fluids beziehungsweise des Gemisches aus dem Fluid und Öl zu entfernen, kann der Massenstrom mittels eines Filtersystems gefiltert werden. Aus den 2b und 2c geht jeweils eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 aus 2a in einer Draufsicht mit dem Strömungspfad 18 durch die Gegendruckkammer 12 hervor.
Dabei kann die zwischen dem Hochdruckbereich und der Gegendruckkammer 12 innerhalb des ersten Strömungskanals 16a angeordnete erste Expansionsvorrichtung 14 mittels eines vorgelagerten Filterelements vor einer Kontamination, insbesondere mit festen Partikel aus dem Hochdruckbereich geschützt werden, welche zu einem Vergrößern des Strömungswiderstandes sowie einer Beeinträchtigung der Drosseleigenschaften und im Extremfall zu einem Blockieren der ersten Expansionsvorrichtung 14 führen können.
Aus der Gegendruckkammer 12 ausströmende feste Partikel, welche überwiegend durch Verschleiß sich bewegender Komponenten der Vorrichtung 1 entstehen, können die innerhalb des zweiten Strömungskanals 16b angeordnete zweite Expansionsvorrichtung 15 in gleicher Weise in der Funktion beeinträchtigen. Um die Funktion der Expansionsvorrichtungen 14, 15 sicherzustellen, ist der Strömungspfad 18 mit dem Filtersystem 19 versehen. Der Auslass aus der Gegendruckkammer 12 zweigt in Richtung 20 der Schwerkraft stets im unteren Bereich ab.
Dabei kann mindestens einer der sich jeweils zwischen dem Strömungskanal 16a, 16b mit der Expansionsvorrichtung 14, 15 und der Gegendruckkammer 12 erstreckenden Verbindungskanäle 17a, 17b als eine innerhalb des Gehäuses 2 eingebrachte Nut 19a ohne aktive Filterfunktion ausgebildet sein. Die Nut 19a kann beim Herstellen des Gehäuses 2 mitgegossen oder mittels eines geeigneten Fertigungsverfahrens, wie Fräsen, Erodieren oder Ähnliches, nachträglich eingebracht werden.
Die festen, schweren Partikel sammeln sich innerhalb der Nut 19a als ein passives Filterelement aufgrund von Schwerkraft und Reibung an. Die Partikel lagern sich dabei im in Richtung 20 der Schwerkraft unteren Bereich, insbesondere am Boden der Nut 19a ab. Hinsichtlich einer Überlagerung von Schwerkraft und Strömungskräften sind die Auslässe des Strömungspfades 18 im montierten Zustand bevorzugt im unteren Bereich der Vorrichtung 1 ausgebildet. Der Strömungspfad 18 verläuft in Richtung 20 der Schwerkraft im Wesentlichen von oben nach unten. Der Auslass des Strömungspfades 18 ist dabei vorzugsweise auf der dem Einlass des Strömungspfades 18 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Der Auslass des Strömungspfades 18 ist bevorzugt in Richtung 20 der Schwerkraft am tiefsten Punkt des entsprechenden Strömungspfades 18 angeordnet.
Zum Verbessern der Filterfunktion kann gemäß der Vorrichtung 1 aus 2c zudem ein als Einlegefilter ausgebildetes Filterelement 19b mit der Nut 19a verbunden, speziell in die Nut 19a integriert, werden, um derart durch Oberflächenvergrößerung die Filterleistung zu erhöhen. Dabei ist der Einlass des Filterelements 19b bevorzugt in Richtung 20 der Schwerkraft am tiefsten Punkt des Strömungspfades 18 angeordnet. Die Filterwirkung könnte auch grundsätzlich mittels Strömungsumlenkung auch ohne Filterelement 19b erfolgen.
Andere Varianten der Anordnung des Filterelements 19b auch in Verbindung mit der Nut 19a sind denkbar.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1, 1': Vorrichtung
2: Gehäuse
3: Stator, feste Spirale
3a: Grundplatte feste Spirale 3
3b: Wandung feste Spirale 3
4: Orbiter, bewegliche Spirale
4a: Grundplatte bewegliche Spirale 4
4b: Wandung bewegliche Spirale 4
5: Arbeitsraum
5a: Auslass
6: Antriebswelle
7: Rotationsachse
8: Zwischenelement
9: erstes Lager
10: zweites Lager
11: Gegenwandung
12: Gegendruckbereich, Gegendruckkammer
13: Ansaugbereich
14, 14': erste Expansionsvorrichtung
15, 15': zweite Expansionsvorrichtung
16a: erster Strömungskanal
16b: zweiter Strömungskanal
16': Strömungskanal
17a: erster Verbindungskanal
17b: zweiter Verbindungskanal
17': Verbindungskanal
18: Strömungspfad
19: Filtersystem
19a: Nut
19b: Filterelement
20: Richtung der Schwerkraft
pH: Hochdruck
pN: Niederdruck
pz: Zwischendruck, Anpressdruck

Claims

Vorrichtung (1) zum Verdichten eines gasförmigen Fluids von einem Niveau eines Niederdrucks p_N in einem Ansaugbereich (13) auf ein Niveau eines Hochdrucks p_H in einem Hochdruckbereich, insbesondere ein Scrollverdichter, aufweisend ein Gehäuse (2) mit einer Gegenwandung (11) und einen Verdichtungsmechanismus mit einem unbeweglichen Stator (3) sowie einem über einen Exzenterantrieb angetriebenen beweglichen Orbiter (4), wobei - das Gehäuse (2) mit der Gegenwandung (11) und der Orbiter (4) eine Gegendruckkammer (12) zumindest bereichsweise umschließend ausgebildet sind und - der Exzenterantrieb über mindestens ein Lager (9, 10) abgestützt angeordnet ist, wobei das mindestens eine Lager (9, 10) innerhalb der Gegendruckkammer (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich vom Hochdruckbereich durch die Gegendruckkammer (12) hindurch bis in den Ansaugbereich (13) erstreckender Strömungspfad (18) für das verdichtete Fluid derart ausgebildet, dass ein ungeteilter Massenstrom des Fluids die Gegendruckkammer (12) mit dem mindestens einen Lager (9, 10) durchströmt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Expansionsvorrichtung (14) zum Expandieren des Fluids vom Niveau des Hochdrucks p_H im Hochdruckbereich auf ein Niveau eines Zwischendrucks pz in der Gegendruckkammer (12) sowie eine zweite Expansionsvorrichtung (15) zum Expandieren des Fluids vom Niveau des Zwischendrucks pz in der Gegendruckkammer (12) auf das Niveau des Niederdrucks p_N im Ansaugbereich (13) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (14, 15) jeweils innerhalb eines Strömungskanals (16a, 16b) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Expansionsvorrichtung (14) innerhalb eines ersten Strömungskanals (16a) angeordnet ist, welcher zwischen dem Hochdruckbereich und der Gegendruckkammer (12) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (16a) innerhalb des Gehäuses (2) oder des Stators (3) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Expansionsvorrichtung (15) innerhalb eines zweiten Strömungskanals (16b) angeordnet ist, welcher zwischen der Gegendruckkammer (12) und dem Ansaugbereich (13) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (16b) innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (16a) sich an einem ersten Ende direkt vom Hochdruckbereich abzweigend und an einem zweiten, zum ersten Ende distalen Ende über einen ersten Verbindungskanal (17a) mit der Gegendruckkammer (12) verbunden ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (16b) an einem ersten Ende direkt in den Ansaugbereich (13) einmündend und an einem zweiten, zum ersten Ende distalen Ende über einen zweiten Verbindungskanal (17b) mit der Gegendruckkammer (12) verbunden ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (17a, 17b) jeweils innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (14, 15) als eine Düse oder als ein Widerstandselement mit laminarer Durchflusscharakteristik oder als ein Regelventil ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (18) mit einem Filtersystem (19) zum Filtern des Fluids ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Expansionsvorrichtung (14) in Strömungsrichtung des Fluids ein Filterelement vorgelagert angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungskanal (17a) als eine innerhalb des Gehäuses (2) eingebrachte Nut (19a) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbindungskanal (17b) als eine innerhalb des Gehäuses (2) eingebrachte Nut (19a) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Einlegefilter ausgebildetes Filterelement (19b) mit der Nut (19a) verbunden, insbesondere in die Nut (19a) integriert, ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterantrieb mit einer Antriebswelle (6) und einem Zwischenelement (8) ausgebildet ist, wobei die Antriebswelle (6) über das Zwischenelement (8) mit dem Orbiter (4) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (6) über ein erstes Lager (9) am Gehäuse (2) abgestützt ausgebildet ist, wobei das erste Lager (9) innerhalb der Gegendruckkammer (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Orbiter (4) über ein zweites Lager (10) auf dem Zwischenelement (8) abgestützt ausgebildet ist, wobei das zweite Lager (10) innerhalb der Gegendruckkammer (12) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1) zum Verdichten eines gasförmigen Fluids von einem Niveau eines Niederdrucks p_N in einem Ansaugbereich (13) auf ein Niveau eines Hochdrucks p_H in einem Hochdruckbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom des Fluids beim Strömen entlang eines sich vom Hochdruckbereich durch eine Gegendruckkammer (12) hindurch bis in den Ansaugbereich (13) erstreckenden Strömungspfades (18) innerhalb der Gegendruckkammer (12) angeordnete Lager (9, 10) eines Exzenterantriebs eines Verdichtungsmechanismus kontinuierlich durchströmt.