DE102023117639A1 - Steuerstromgegendruckdüse für Spiralverdichter sowie ein Verfahren zur Partikelentfernung aus Kältemittel-Öl-Gemischen in einer Steuerstromgegendruckdüse von Spiralverdichtern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerstromgegendruckdüse für Spiralverdichter, aufweisend ein horizontal angeordnetes Düsenelement (1) in einer Düsenelementaufnahme (13), wobei das Düsenelement (1) einen Hohlzylinderbereich (15) und einen Bodenbereich (16) aufweist, wobei im Hohlzylinderbereich (15) innen sacklochartig ein Partikelsammelbehälter (2) ausgebildet ist, der in axialer Richtung eingangsseitig einen Partikelsammelbehältereingang (3) aufweist und endseitig von dem geschlossenen Bodenbereich (16) begrenzt wird, wobei ein Partikelsammelbehälterausgang (4) nach oben durch den Hohlzylinderbereich (15) hindurch ausgebildet ist und eine Spirale (5) mit einer Spiralnut (12) außen im Hohlzylinderbereich (15) am Umfang des Düsenelementes (1) in axialer Richtung zum Bodenbereich (16) hin ausgebildet ist und wobei der Strömungsquerschnitt der Steuerstromgegendruckdüse durch den Querschnitt der Spiralnut (12) und der diese radial begrenzenden Düsenelementaufnahme (13) im Spiralverdichter gebildet wird sowie ein Verfahren zur Partikelentfernung aus Kältemittel-Öl-Gemischen in einer Steuerstromgegendruckdüse von Spiralverdichtern.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Steuerstromgegendruckdüse für Spiralverdichter, wobei die Steuerstromgegendruckdüse für Spiralverdichter einen Partikelfilter für Fremdstoffe im Steuerstrom des Öl-Kältemittelgemisches aufweist sowie ein Verfahren zur Partikelentfernung aus Kältemittel-Öl-Gemischen in einer Steuerstromgegendruckdüse von Spiralverdichtern.
• Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft insbesondere elektrisch sowie mechanisch angetriebene Kältemittelverdichter mit dem Kompressionsprinzip des Spiralverdichters, der auch als Scrollverdichter bezeichnet wird.
• Spiralverdichter bestehen aus einer feststehenden Spirale, der FixScroll, die fest im Verdichter verbaut ist und einer orbitierenden Spirale, der OrbitingScroll, die innerhalb der FixScroll mit einem mechanisch vorgegebenen Radius orbitiert, also umläuft. Durch die Bewegung der OrbitingScroll bilden sich zwischen den beiden Spiral- oder Scrollhälften paarweise Kammern, deren Volumen sich durch die Bewegung nach innen reduziert. Damit wird das innere Gas in den Kammern komprimiert.
• Der Druckanstieg in den parallelen Kammern verursacht eine Kraft auf die OrbitingScroll, die ein Öffnen der axialen Dichtstellen verursachen würde. Zusätzlich greift diese axiale Kraft auf den OrbitingScroll nicht in der Mitte an, wodurch zusätzlich noch ein Kippmoment den OrbitingScroll einseitig von dem FixScroll ablösen würde, was auch als overturning Torque bezeichnet wird.
• Im Stand der Technik gibt es vorrangig zwei Verfahren, diesen beiden Kräften eine entsprechende Gegenkraft entgegen zu setzen. Einerseits gibt es Spiralverdichter mit orbitierenden Axiallagern und anderseits wird diese Kraft durch einen entsprechenden Gegendruck, den sogenannten Backpressuredruck, in einem Druckraum hinter dem OrbitingScroll kompensiert, beziehungsweise sogar überkompensiert.
• Um einen sicheren Betrieb des Scrolls unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, ist für alle Bedingungen sicherzustellen, dass die vom Backpressuredruck ausgehende Kraft die Kräftebilanz um den OrbitingScroll dominiert. Andernfalls würde der Scroll seine axialen Dichtflächen öffnen und im Extremfall die Kompression des Gases einstellen. Der notwendige Backpressuredruck variiert je nach anliegenden Drücken, innerer Dichtigkeit sowie weiteren Parametern.
• Anderseits verursacht ein zu hoher Gegendruck bei der Kräftebilanz um den OrbitingScroll übermäßige Reibung und damit Verschleiß der Bauteile.
• Im Stand der Technik wird der Backpressuredruck beispielsweise nach der US 2010/0158710 A1 mit einem federbelasteten, mechanischen Regelventil auf der dem Backpressureraum zuführenden oder abführenden Seite gebildet.
• Aus der DE 10 2013 021 250 A1 ist eine Scroll-Maschine und ein Verfahren zu deren Betrieb bekannt, wobei ein Regelelement zwischen der Gegendruckkammer und dem Niederdruckanschluss vorgesehen ist, um einen Gegendruck in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Fluids zwischen Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss zu regeln.
• Die US 2010/0 209 819 A1 offenbart einen Ejektor und ein Brennstoffzellensystem mit einem Ejektor mit einer Regelung für den Ausgangsdruck des Fluids mittels eines Ventils.
• Im Stand der Technik wird der Backpressuredruck alternativ durch ein Düsensystem in Abhängigkeit vom Hochdruck und dem Saugdruck gebildet. Dafür werden zwei Düsen mit Strömungsverlusten so abgestimmt, dass sich in allen Fällen ein geeigneter Mitteldruck, der Backpressuredruck, einstellt.
• Schließlich ist aus der DE 10 2016 105 302 B4 ein Steuerstromregelventil für Spiralverdichter bekannt, welches mindestens aus einem Gehäuse und einem Verschlusselement sowie Fluidanschlüssen für den Steuerstrom, für den Gegendruck (Pb), für den Hochdruck (Pd) und für den Saugdruck (Ps) mit den Anschlüssen zugeordneten Wirkflächen am Verschlusselement besteht. Das Steuerstromregelventil besitzt zusätzlich einen Fluidanschluss für Umgebungsdruck (PATM) mit zugeordneter Wirkfläche am Verschlusselement. Dieses ist derart ausgebildet, dass auf das Verschlusselement eine resultierende Kraft aus den am Verschlusselement anliegenden Drücken (Pd, Pb, Ps, PATM) derart wirkt, dass ein Steuerstrom vom Hochdruck (Pd) zum Saugdruck (Ps) einen Gegendruck (Pb) ausbildend fließt, wobei der Umgebungsdruck (PATM) fluiddicht zu den anderen auf das Verschlusselement wirkenden Räumen mit Hochdruck (Pd), Gegendruck (Pb) und Saugdruck (Ps) ausgebildet ist.
• In einer weiteren Variante des Standes der Technik gibt es Kombinationen aus Düsen und druckgesteuertem On/Off-Ventil, auf der vom Backpressureraum abfließenden Seite. Dieses Ventil dient jedoch vornehmlich dem Anlauf. Damit wird gewährleistet, dass von Beginn an ein Backpressuredruck gebildet wird.
• Die Lösungen mit Düsen zur Einstellung des Gegendruckes im Stand der Technik weisen allerdings wirkprinzipimmanent das Problem der Verstopfungsgefahr der Düse, insbesondere der Spiraldüse, auf.
• Der vorgenannte Stand der Technik mit Düsen zur Einstellung eines Gegendruckes stellt zwar bereits teilweise eine deutliche Verbesserung in verschiedener Hinsicht dar, jedoch sollen die in der Erfindung dargelegten Veränderungen an der Konstruktion weitere Verbesserungen bewirken.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin eine Steuerstromgegendruckdüse zur Verfügung zu stellen, welche einfach und robust konstruiert ist und darüber hinaus die Verstopfungs- und Verblockungsgefahr der Düse durch Partikel im Steuerstrommassenstrom reduziert.
• Die Aufgabe wird durch eine Steuerstromgegendruckdüse mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Separierung von Partikeln mit Steuerstromgegendruckdüsen gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Steuerstromgegendruckdüse für Spiralverdichter gelöst, welche ein horizontal angeordnetes Düsenelement aufweist, welches von einer Düsenelementaufnahme eines Spiralverdichters aufgenommen wird. Das Düsenelement weist einen Hohlzylinderbereich und einen Bodenbereich auf, wobei die Achse des Hohlzylinderbereiches die axiale Richtung der Steuerstromgegendruckdüse definiert und im Hohlzylinderbereich innen sacklochartig ein Partikelsammelbehälter ausgebildet ist, der in axialer Richtung eingangsseitig einen Partikelsammelbehältereingang aufweist und endseitig von dem geschlossenen Bodenbereich begrenzt wird. Der Partikelsammelbehälterausgang ist nach oben durch die Wandung im Hohlzylinderbereich hindurch ausgebildet. Das Düsenelement weist außen eine Spirale mit einer Spiralnut im Hohlzylinderbereich des Düsenelementes in axialer Richtung auf, wobei sich die Spiralnut spiralförmig zum Bodenbereich hin erstreckt und dabei am Umfang des Düsenelementes ausgebildet ist. Der Strömungsquerschnitt der Steuerstromgegendruckdüse wird durch den Querschnitt der Spiralnut gebildet, welche in radialer Richtung durch die Wandung der Düsenelementaufnahme im Spiralverdichter begrenzt ist.
• Bevorzugt ist die Steuerstromgegendruckdüse in axialer Richtung in Bezug auf den Spiralverdichter angeordnet, wobei dies für die Funktionsweise der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist. Weiterhin ist die horizontale Ausrichtung des Düsenelementes und die Ausrichtung des Partikelsammelbehälterausgangs nach oben wegen der günstigsten Überlagerung der Kräfte auf die Feststoffpartikel eine optimale Anordnung, gleichwohl sind weniger günstige Ausgestaltungen mit einer abweichenden Positionierung von der Lehre der Erfindung umfasst, soweit eine Abscheidung der Partikel aus dem fließenden Steuerstrom durch den Einfluss der Schwerkraft erfolgt.
• Vorteilhaft ist der Partikelsammelbehälterausgang radial nach oben in der Art einer Bohrung ausgebildet.
• Besonders bevorzugt ist der Partikelsammelbehälterausgang zwischen dem Partikelsammelbehältereingang und dem Bodenbereich im Partikelsammelbehälter angeordnet. Der Abstand des Partikelsammelbehälterausgangs vom Partikelsammelbehältereingang ist dabei geringer als der Abstand vom geschlossenen Bodenbereich des Düsenelementes in axialer Richtung. Über die Positionierung des Partikelsammelbehälterausgangs kann der Abscheideeffekt für die Partikel und die Aufnahmekapazität des Partikelsammelbehälters beeinflusst werden.
• Bevorzugt wird der Partikelsammelbereich radial durch den Hohlzylinder des Düsenelementes und axial durch den Abstand zwischen Partikelsammelbehälterausgang und Bodenbereich des Düsenelementes ausgebildet.
• Die Erfindung wird bevorzugt dadurch weitergebildet, dass ein Kragen am äußeren Umfang des Hohlzylinderbereiches des Düsenelementes den Strömungsbereich des Steuerstroms axial eingangsseitig am äußeren Umfang des Hohlzylinderbereiches begrenzt.
• Vorteilhaft ist die Spirale derart ausgebildet, dass an einem Spiralenanfang die Spirale abgeflacht ausgebildet ist und der Steuerstrom im Bereich des Spiralenanfangs in die in axialer Richtung sich anschließende Spiralnut eintritt und dann innerhalb der Spiralnut weiterströmt.
• Das Düsenelement weist vorteilhaft axial endseitig im Bodenbereich eine Kavität auf, welche den Saugdruckbereich bildet, wobei die Spiralnut endseitig mit dem Saugdruckbereich verbunden ist. Der Steuerstom des Kältemittel-Öl-Gemisches strömt vom Spiralenanfang nach Eintritt in die Spiralnut über den Spiralenanfang entlang der Spiralnut bis zu deren Ende in den Saugdruckbereich im Bodenbereich des Düsenelementes.
• Bevorzugt ist der Abströmwinkel α zur Erhöhung der Abscheidewirkung verringerbar ausgebildet. Die sich bildende Strömungsrichtungsänderung bis hin zur Strömungsrichtungsumkehr führt zu einer Erhöhung der Abscheidewirkung.
• Die Sammelbehälterhöhe T ist zur Erhöhung der Abscheidewirkung vergrößerbar ausgebildet. Mit der Erhöhung der Sammelbehälterhöhe T geht eine Erhöhung der Gravitationswirkung einher.
• Der Durchmesser des Partikelsammelbehältereingangs d_i ist zur Erhöhung der Abscheidewirkung verkleinerbar und der Durchmesser des Partikelsammelbehälterausgangs d₀ vergrößerbar ausgebildet. In dieser Konstellation wird die Strömungsgeschwindigkeit am Sammelbehältereingang erhöht und am Sammelbehälterausgang verringert.
• Bevorzugt ist als Kältemittel R744, Kohlendioxid, in der Kälteanlage eingesetzt.
• Der Partikelsammelbehältereingang ist bevorzugt konzentrisch im Hohlzylinderbereich angeordnet.
• Der Partikelsammelbehältereingang ist alternativ als Tangentialströmungsbereich im Hohlzylinderbereich des Düsenelementes angeordnet.
• Vorteilhaft ist das Düsenelement in axialer Richtung des Spiralverdichters horizontal angeordnet.
• Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Partikelentfernung aus Kältemittel-Öl-Gemischen in einer Steuerstromgegendruckdüse von Spiralverdichtern dadurch gelöst, dass das Kältemittel-Öl-Gemisch über den Partikelsammelbehältereingang in den Partikelsammelbehälter einströmt, die Partikel aufgrund ihrer Massenträgheit sich in axialer Richtung in den Partikelsammelbehälter zum Bodenbereich hin bewegen, das Kältemittel-Öl-Gemisch in radialer Richtung über den Partikelsammelbehälterausgang den Partikelsammelbehälter verlässt, dass Kältemittel-Öl-Gemisch am äußeren Umfang des Düsenelementes in die Spiralnut einströmt und spiralförmig zum Saugdruckbereich strömt und dabei in der Spiralnut düsenartig entspannt wird und schließlich über den Saugdruckbereich die Steuerstromgegendruckdüse verlässt.
• Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass für den ordnungsgemäßen Betrieb eines elektrischen R744 Verdichters ein Gegendruck hinter der Orbitalschnecke des Verdichters erforderlich ist. Dieser Gegendruck wird durch einen Massenstrom erzeugt, der als Steuerstrom bezeichnet wird und der durch ein Steuerstromgegendruckventil in Kombination mit einer Spiraldüse gesteuert wird. Die Spiraldüse hat einen reduzierten Querschnitt, bei dem die Gefahr besteht, dass Partikel im Kältemittelsystem den Düsenkanal verstopfen, was die Effizienz des elektrischen Verdichters verringert oder zu Fehlfunktionen führt. Daher ist eine Abtrennung beziehungsweise Reduzierung der Feststoffpartikel vor der Düse erforderlich, um das Risiko der Fehlfunktion durch Verstopfung der Düse zu minimieren.
• Nach dem Stand der Technik werden in ähnlich gelagerten Fällen separate zusätzliche Filter eingesetzt, die zusätzlichen Bauraum und Montageaufwand erfordern und zusätzliche Kosten verursachen.
• Die Konzeption der Erfindung besteht darin, einen Partikelabscheider in das Düsenelement zu integrieren. Der Abscheideeffekt wird durch die Umlenkung des Steuerstroms im Hohlzylinderbereich des Düsenelementes erzeugt und der Steuerstrom wird gezwungen entgegen der Schwerkraft nach oben zu fließen. Durch die Massenträgheit der Partikel lösen sich diese aus dem Kältemittel-Öl-Massenstrom des Steuerstromes heraus und separieren sich. Konstruktiv ist in der Düse ein Auffangbehälter für die Partikel, der Patikelsammelbehälter, ausgebildet und damit unmittelbar in das Düsenelement integriert.
• Alternativ wird die Zentrifugalkraft genutzt, um die Partikel vom Hauptmassenstrom zu trennen.
• Der Partikelsammelbehälter ist derart definiert, dass er die Abscheidung und damit die Filterung von Partikelgrößen ermöglicht, die normalerweise die Düse verstopfen würden. Andererseits ist der Spalt groß genug, um den Steuerstrom nicht zu beeinflussen.
• Die Verwendung dieses vereinfachten Abscheiders hat den weiteren Vorteil, dass kein zusätzlicher Bauraum für einen zusätzlichen Filter benötigt wird, dass generell keine zusätzliche Komponente benötigt wird und dass folglich auch kein zusätzlicher Montageprozess erforderlich ist.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Düsenelement im Längsschnitt,
• 2: Detail Düsenelement eingangsseitig,
• 3: Detail Düsenelement eingangsseitig Oberseite perspektivisch,
• 4: Detail Düsenelement eingangsseitig Unterseite perspektivisch,
• 5: Düsenelement mit Düsenelementaufnahme im Spiralverdichter im Längsschnitt,
• 6: Detail Düsenelement eingangsseitig mit Parametern sowie
• 7: Detail Düsenelement eingangsseitig mit Parametern,
• 8: Stand der Technik Filterelement,
• 9: Düsenelement mit Tangentialeinströmung, Querschnitt radial,
• 10: Düsenelement eingangsseitig mit Tangentialeinströmung perspektivisch und
• 11: Düsenelement eingangsseitig mit Tangentialeinströmung im axialen Längsschnitt.
• In 1 ist ein Düsenelement 1 im Längsschnitt in axialer Richtung dargestellt. Das Düsenelement 1 besteht aus verschiedenen Bereichen. Das Düsenelement 1 besteht insbesondere aus einem hohlzylindrischen Zylinderbereich 15 der axial endseitig von einem Bodenbereich 16 verschlossen und begrenzt wird. Dadurch bildet sich im Düsenelement 1 ein Partikelsammelbereich 17 durch den sacklochartig ausgebildeten Partikelsammelbehälter 2. Gegenüberliegend zum Bodenbereich 16 wird der Partikelsammelbehälter 2 von einem Partikelsammelbehältereingang 3 begrenzt, durch welchen der Steuerstrom, das Kältemittel-Öl-Gemisch mit gegebenenfalls Partikeln als Fremdstoffen, in den Partikelsammelbehälter 2 eintritt. Entlang des Hohlzylinderbereiches 15 des Düsenelementes 1 ist eine Spirale 5 ausgebildet, wobei zwischen den Windungen der Spirale 5 eine Spiralnut 12 ausgebildet ist. Die Spirale 5 besitzt einen Spiralenanfang 7, der abgeflacht ausgebildet ist und durch welchen das Kältemittel-Öl-Gemisch des Steuerstroms am äußeren Umfang des Düsenelementes 1 in die Spiralnut 12 eintritt. Der Partikelsammelbehälter 2 weist bevorzugt im Eingangsbereich, welcher in axialer Richtung relativ zur axialen Länge des Partikelsammelbehälters 2 knapp bemessen ist, nach oben einen Partikelsammelbehälterausgang 4 auf. Axial endseitig ist unter dem Bodenbereich 16 des Düsenelementes 1 ist eine Kavität ausgeformt, welche einen Saugdruckbereich 8 bildet, der mit der Spiralnut 12 endseitig verbunden ist.
• Das Düsenelement 1 wird eingangsseitig im Bereich des Partikelsammelbehältereingangs 3 am Umfang durch einen Kragen 6 verdickt, welcher am Umfang des Düsenelementes 1 die Begrenzung des Strömungsraumes für das Kältemittel-Öl-Gemisch des Steuerstromes darstellt.
• In 2 ist das Düsenelement 1 aus 1 eingangsseitig vergrößert im Querschnitt dargestellt. Die Massenstromrichtung 9 des Steuerstromes am Partikelsammelbehältereingang 3 ist schematisch durch einen Pfeil dargestellt. Die auf die Feststoffpartikel wirkende Gravitationskraft 11 ist gleichfalls exemplarisch als Pfeil gezeigt. Das Kältemittel-Öl-Gemisch strömt axial in den Partikelsammelbehälter 2 ein. Die im Massenstrom befindlichen Partikel, feste Fremdstoffe, werden aufgrund ihrer Trägheit in der Partikelbewegungsrichtung 10 weiter bewegt beziehungsweise bewegen sich weiter in den Partikelsammelbereich 17 des Partikelsammelbehälters 2 hinein. Die Partikel dissipieren ihre Bewegungsenergie und verharren im Partikelsammelbereich 17, wohingegen das Kältemittel-Öl-Gemisch in der Massenstromrichtung 9 eingangsseitig nach oben durch den Partikelsammelbehälterausgang 4 aus dem Partikelsammelbehälter 2 herausströmt. Der Kragen 6 am äußeren Umfang des Düsenelementes 1 im Bereich des Partikelsammelbehältereingangs 3 verhindert ein Abfließen und das Kältemittel-Öl-Gemisch strömt über den abgeflachten Spiralenanfang 7 in die Spiralnut 12 ein und in dieser spiralförmig weiter.
• In 3 ist perspektivisch die Oberseite des Düsenelementes 1 mit dem Partikelsammelbehältereingang 3 gezeigt. Der Steuerstrom strömt in Massenstromrichtung 9 über den Partikelsammelbehältereingang 3 in das Düsenelement 1 ein. Der Partikelsammelbehälterausgang 4 durchtritt in radialer Richtung den Hohlzylinderbereich 15 und das Kältemittel-Öl-Gemisch strömt in dem durch den Kragen 6 und die Spirale 5 gebildeten Bereich umfangsseitig in der Spiralnut 12 um das Düsenelement 1.
• In 4 ist perspektivisch die Unterseite des Düsenelementes 1 mit dem Sammelbehältereingang 3 gezeigt. Der Spiralenanfang 7 ist als abgeflachter Bereich der Spirale 5 dargestellt und über diesen strömt der Steuerstrom in Massenstromrichtung 9 in die Spiralnut 12 des Düsenelementes 1 ein. Der Kragen 6 ist umlaufend eingangsseitig ausgebildet und begrenzt somit den Strömungsbereich des Steuerstroms axial eingangsseitig am Umfang des Düsenelementes 1.
• 5 zeigt das Düsenelement 1 in der Anordnung innerhalb der Düsenelementaufnahme 13 im Spiralverdichter im Längsschnitt. Die Düsenelementaufnahme 13 des Spiralverdichters ist bevorzugt als Teil des Gehäuses des Spiralverdichters ausgebildet und stellt eine korrespondierend zum Düsenelement 1 ausgebildete Kavität dar, in welcher das Düsenelement 1 platziert ist. Die Spirale 5 am Düsenelement 1 steht in Kontakt mit der Innenwandung der Düsenelementaufnahme 13, sodass die Spiralnut 12 einen Strömungskanal für den Steuerstrom ausbildet und als Spiraldüse entlang des Umfanges des Düsenelementes 1 wirkt. Der Saugdruckbereich 8 erstreckt sich über einen Teil des Düsenelementes 1 im Bodenbereich 16 des Düsenelementes 1 und einen Teil der Düsenelementaufnahme 13. Der Partikelsammelbehälter 2 weist einen Partikelsammelbereich 17 auf, welcher sich in axialer Richtung zwischen dem Partikelsammelbehälterausgang 4 und dem Bodenbereich 16 des Düsenelementes 1 erstreckt. In radialer Richtung wird der Partikelsammelbereich 17 durch den Hohlzylinderbereich 15 begrenzt. Die Düsenwirkung des Düsenelementes 1 ergibt sich durch die Begrenzung der Spiralnut 12 in radialer Richtung durch die Düsenelementaufnahme 13. Der sich bildende Kanal der Spiralnut 12 bewirkt die Düsenwirkung und führt zur Entspannung des Kältemittelmassenstroms des Steuerstroms.
• In den 6 und 7 ist das Düsenelement 1 eingangsseitig mit verschiedenen Parametern für die Gestaltung des Abscheideeffektes dargestellt. In den Darstellungen sind jeweils die Spirale 5, der Spiralenanfang 7, die Spiralnut 12 sowie der Kragen 6 neben dem Partikelsammelbehälter 3 des Düsenelementes 1 gezeigt.
• In 6 ist der Abströmwinkel α angedeutet, welcher die Anordnung des Partikelsammelbehälterausgangs 4 definiert. Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist der Abströmwinkel α radial mit 90° gezeigt. Eine Verkleinerung des Abströmwinkels α bewirkt eine Vergrößerung des Abscheideeffekts und es werden mehr und auch kleinere Partikel abgeschieden. Wird der Abströmwinkel α verringert, so muss die Strömung des Steuerstroms seine Richtung ändern in negativer Strömungsrichtung, was zu einer Erhöhung des Abscheideeffektes führt. Die Sammelbehälterhöhe T bezeichnet bei einer kreiszylindrischen Ausformung des Partikelsammelbehälters den Durchmesser desselben. Wird die Sammelbehälterhöhe T vergrößert, steigt der Einfluss der Gravitationswirkung auf die Partikel innerhalb des Steuerstroms.
• Die Parameter in 7 sind der Durchmesser d_i am Partikelsammelbehältereingang 3 sowie der Durchmesser d₀ am Partikelsammelbehälterausgang 4. Beide konstruktive Parameter wirken sich auf die Strömungsgeschwindigkeit des Steuerstroms aus und haben somit direkten Einfluss auf den Abscheideeffekt für die Feststoffpartikel desselben. Wird der Durchmesser d₀ des Partikelsammelbehälterausgangs 4 vergrößert, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein Mitreißen der Feststoffpartikel reduziert wird und im Ergebnis die Abscheidewirkung erhöht wird. Wird der Durchmesser d_i am Partikelsammelbehältereingang 3 verkleinert, so steigt die Strömungsgeschwindigkeit am Eingang und die Partikel strömen mit größerer Geschwindigkeit, was dann zu einer verbesserten Abscheidewirkung führt.
• In 8 ist ein Partikelsieb 14 nach dem Stand der Technik im Querschnitt dargestellt und es wird ersichtlich, dass bei einem Verzicht auf ein zusätzliches Partikelsieb 14 innerhalb des Spiralverdichters Aufwand und Kosten für die zusätzliche Komponente sowie eine Reduzierung des Bauaufwandes verbunden mit wegfallendem Montageaufwand zu deutlichen Vorteilen der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik führt.
• In den 9, 10 und 11 ist eine alternative Ausgestaltung des Düsenelementes 1 zu der Ausführung gemäß der 1 bis 7 mit einem abgewandelten Tangentialeinströmungsbereich 18, über welchen der Massenstrom des Kältemittel-Öl-Gemisches, angedeutet durch die Massenstromrichtung 9, tangential in den Partikelsammelbehälter 2 des Düsenelementes 1 einströmt. Die Abströmung des Massenstromes erfolgt wiederum über den Partikelsammelbehälterausgang 4, der oben angeordnet ist. Die Massenstromrichtung 9 des Steuerstromes folgt durch den Tangentialeinströmungsbereich 18 im Partikelsammelbehälter 2 dem Umfang des Hohlzylinders. Die Gravitationskraft 11 wirkt auf die Partikel in der dargestellten Richtung, wohingegen der Steuerstrom nach oben über den Partikelsammelbehälterausgang 4 aus dem Partikelsammelbehälter 2 abströmt.
• Das in 9 im radialen Querschnitt dargestellte Prinzip wird in 10 perspektivisch und in 11 im axialen Längsschnitt gezeigt. Jeweils sind der Tangentialeinströmungsbereich 18 sowie die Massenstromrichtung 9 des Steuerstromes und die Lage des Partikelsammelbehälterausgangs 4 im Düsenelement 1 gezeigt. Der Kragen 6 sowie der Spiralenanfang 7 und die Spiralnut 12 sind in gleicher Weise in diesem alternativen Ausführungsbeispiel verwirklicht und gezeigt.
• Die Vorteile der Erfindung sind vielgestaltig und lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• - Abscheidung von kritischen Partikeln aus dem Steuerstrommassenstrom,
• - Kein zusätzlicher Bauraum für die Erfüllung dieser Funktion erforderlich,
• - Keine zusätzliche Filterkomponente erforderlich und folglich
• - Kein zusätzlicher Prozess beziehungsweise keine zusätzliche Montage erforderlich.
• Eine Anpassung der erfinderischen Lehre an unterschiedliche Fluideigenschaften ist möglich durch die Minimierung des Winkels α zwischen dem Abscheidereinlass und -auslass, wodurch eine höhere Abscheiderate erzielt werden kann.
• Durch die Maximierung der Sammelbehälterhöhe T zwischen dem Auslass des Abscheiders und dem Sammelbehälter für die Partikel kann eine größere Menge an abgeschiedenen Partikeln erzeugt werden. Außerdem wird das Risiko verringert, dass sich bei einem Neustart des Massenstroms, beim Anlauf des Verdichters beispielsweise, ein Partikel ablöst.
• Der Durchmesser des Partikelsammelbehältereingangs d_i und des Ausgangs d₀ verändern die Durchflussmenge. Durch Verkleinerung von d_i wird eine höhere Geschwindigkeit am Eingang erzeugt und somit werden mehr Partikel abgeschieden.
• Durch eine Vergrößerung von d₀ am Ausgang wird eine geringere Geschwindigkeit erzeugt und somit mehr Partikel abgeschieden.
• Es ist weiterhin möglich, die Zentrifugalkraft zu nutzen, um die Partikel vom Hauptmassenstrom zu trennen. Sie kann zusätzlich zur Schwerkraft eingesetzt werden, um die Abscheiderate zu erhöhen.
• Durch die Schaffung einer speziellen Düsenkontur, die die Strömung in der Düse umlenkt, kann ein definierter und einstellbarer Abscheider mit einem Behälter für die Partikel vor der ersten Spirale geschaffen werden. Der Abscheider ist so definiert, dass er eine Trennung von Partikelgrößen ermöglicht, die normalerweise die Düse verstopfen würden. Gleichzeitig wird der Regelmassenstrom nicht beeinträchtigt.
• Mit dem Partikelabscheidefilter ist es möglich, die Partikel vor der Düse aus dem Fluidmassenstrom abzutrennen, ohne dass eine zusätzliche separate Komponente, wie beispielsweise ein Filter, erforderlich ist.
• Andererseits kann das Düsenelement 1 als Partikelseparator mit einem Bypassfilter kombiniert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Düsenelement

2

Partikelsammelbehälter

3

Partikelsammelbehältereingang

4

Partikelsammelbehälterausgang

5

Spirale

6

Kragen

7

Spiralenanfang

8

Saugdruckbereich

9

Massenstromrichtung des Steuerstromes

10

Partikelbewegungsrichtung

11

Gravitationskraft

12

Spiralnut

13

Düsenelementaufnahme Spiralverdichter

14

Partikelsieb

15

Hohlzylinderbereich

16

Bodenbereich

17

Partikelsammelbereich

18

Tangentialeinströmungsbereich

α

Abströmwinkel

T

Sammelbehälterhöhe

di

Durchmesser Partikelsammelbehältereingang

d0

Durchmesser Partikelsammelbehälterausgang

• 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
• US 2010/0158710 A1 [0008]
• DE 102013021250 A1 [0009]
• US 2010/0209819 A1 [0010]
• DE 102016105302 B4 [0012]

Claims (15)

1. Steuerstromgegendruckdüse für Spiralverdichter, aufweisend ein horizontal angeordnetes Düsenelement (1) in einer Düsenelementaufnahme (13), wobei das Düsenelement (1) einen Hohlzylinderbereich (15) und einen Bodenbereich (16) aufweist, wobei im Hohlzylinderbereich (15) innen sacklochartig ein Partikelsammelbehälter (2) ausgebildet ist, der in axialer Richtung eingangsseitig einen Partikelsammelbehältereingang (3) aufweist und endseitig von dem geschlossenen Bodenbereich (16) begrenzt wird, wobei ein Partikelsammelbehälterausgang (4) nach oben durch den Hohlzylinderbereich (15) hindurch ausgebildet ist und eine Spirale (5) mit einer Spiralnut (12) außen im Hohlzylinderbereich (15) am Umfang des Düsenelementes (1) in axialer Richtung zum Bodenbereich (16) hin ausgebildet ist und wobei der Strömungsquerschnitt der Steuerstromgegendruckdüse durch den Querschnitt der Spiralnut (12) und der diese radial begrenzenden Düsenelementaufnahme (13) im Spiralverdichter gebildet wird.
2. Steuerstromgegendruckdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsammelbehälterausgang (4) nach oben ausgebildet ist.
3. Steuerstromgegendruckdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelsammelbereich (17) in axialer Richtung zwischen dem Partikelsammelbehälterausgang (4) und dem Bodenbereich (16) im Partikelsammelbehälter (2) und radial durch den Hohlzylinder des Zylinderbereiches (15) des Düsenelementes (1) ausgebildet ist.
4. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kragen (6) am äußeren Umfang des Hohlzylinderbereiches (15) den Strömungsbereich des Steuerstroms axial eingangsseitig begrenzt.
5. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (5) einen Spiralenanfang (7) aufweist in dem die Spirale (5) abgeflacht ausgebildet ist und der Steuerstrom im Bereich des Spiralenanfangs (7) in die Spiralnut (12) eintritt.
6. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement (1) axial endseitig im Bodenbereich (16) eine Kavität als Saugdruckbereich (8) aufweist, wobei die Spiralnut (12) endseitig mit dem Saugdruckbereich (8) verbunden ist.
7. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abströmwinkel alpha zur Erhöhung der Abscheidewirkung verringerbar ausgebildet ist.
8. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammelbehälterhöhe T zur Erhöhung der Abscheidewirkung vergrößerbar ausgebildet ist.
9. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Partikelsammelbehältereingangs d_i zur Erhöhung der Abscheidewirkung verkleinerbar und der Durchmesser des Partikelsammelbehälterausgangs d₀ vergrößerbar ausgebildet ist.
10. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass R744 als Kältemittel eingesetzt ist.
11. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsammelbehältereingang (3) konzentrisch im Hohlzylinderbereich (15) angeordnet ist.
12. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsammelbehältereingang (3) als Tangentialeinströmungsbereich (18) im Hohlzylinderbereich (15) angeordnet ist.
13. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypassfilter für den Steuerstrom zusätzlich zur Steuerstromgegendruckdüse ausgebildet ist.
14. Steuerstromgegendruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement (1) in axialer Richtung des Spiralverdichters horizontal angeordnet ist.
15. Verfahren zur Partikelentfernung aus Kältemittel-Öl-Gemischen in einer Steuerstromgegendruckdüse von Spiralverdichtern nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass - das Kältemittel-Öl-Gemisch des Steuerstrommassenstromes über den Partikelsammelbehältereingang (3) in den Partikelsammelbehälter (2) einströmt, - Die Partikel aus dem Steuerstrommassenstrom aufgrund ihrer Massenträgheit sich in axialer Richtung in den Partikelsammelbehälter (2) zum Bodenbereich (16) hin bewegen, - Das Kältemittel-Öl-Gemisch in radialer Richtung über den Partikelsammelbehälterausgang (4) den Partikelsammelbehälter (2) verlässt, - Das Kältemittel-Öl-Gemisch am äußeren Umfang des Düsenelementes (1) in die Spiralnut (12) einströmt und spiralförmig zum Saugdruckbereich (8) strömt und - Dabei in der Spiralnut (12) düsenartig entspannt wird und - Schließlich über den Saugdruckbereich die Steuerstromgegendrückdüse verlässt.

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