EP4146940A1 - Verdrängermaschine, verfahren, fahrzeugklimaanlage und fahrzeug - Google Patents

Verdrängermaschine, verfahren, fahrzeugklimaanlage und fahrzeug

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Publication number
EP4146940A1
EP4146940A1 EP21716984.6A EP21716984A EP4146940A1 EP 4146940 A1 EP4146940 A1 EP 4146940A1 EP 21716984 A EP21716984 A EP 21716984A EP 4146940 A1 EP4146940 A1 EP 4146940A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spiral
displacement
counter
compression chamber
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP21716984.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Busch
Jochen BONT
Roman LÄSSER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OET GmbH
Original Assignee
OET GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by OET GmbH filed Critical OET GmbH
Publication of EP4146940A1 publication Critical patent/EP4146940A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F04C18/0215—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F04C18/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
    • F04C18/0253—Details concerning the base
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F04C18/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
    • F04C18/0253—Details concerning the base
    • F04C18/0261—Details of the ports, e.g. location, number, geometry
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/10—Kind or type
    • F05B2210/14—Refrigerants with particular properties, e.g. HFC-134a

Definitions

  • the invention relates to a displacement machine based on the spiral principle according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method, a vehicle air conditioning system and a vehicle.
  • a displacement machine of the type mentioned at the beginning is known from DE 10 2017 110 913 B3.
  • DE 10 2017 110 913 B3 describes a scroll compressor which comprises a displacement spiral and a counter-spiral.
  • the displacement spiral engages in the counter-spiral.
  • the orbiting displacement spiral creates compression chambers in which a coolant is compressed.
  • the displacement spiral In order for the coolant to be compressed, the displacement spiral must be in close contact with the counter-spiral. It is therefore advantageous if the displacement spiral is pressed against the counter-spiral.
  • a counter-pressure chamber is arranged on the side of the displacement spiral facing away from the counter-spiral.
  • Such a back pressure chamber is also known as a back pressure chamber.
  • the function of the counter-pressure chamber or the back-pressure chamber is to build up pressure.
  • the displacement spiral comprises an opening which fluidly connects the counter-pressure chamber or the back-pressure chamber with a compression chamber.
  • the pressure in the back-pressure chamber acts on the displacement spiral with a force which presses the displacement spiral against the counter-spiral, so that the two spirals are sealed off from one another in a fluid-tight manner.
  • the pressure in the counter-pressure chamber must be just high enough to press the displacement spiral against the counter-spiral in such a way that the displacement spiral rests fluid-tight on the counter-spiral.
  • the pressure should not be too great, so that frictional forces occur which slow down the orbiting movement of the displacement spiral or lead to a loss of performance.
  • the provision of a sufficiently high pressure for the counter-pressure chamber in order to press the displacement spiral against the counter-spiral and thereby cause as little loss of performance as possible is associated with constructive effort.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a displacement machine in which the generation of the pressure for pressing the displacement spiral against the counter-spiral is improved such that a simple and inexpensive construction of the displacement machine is possible.
  • a further object of the invention is to specify a method, a vehicle air conditioning system and a vehicle. According to the invention, the task is with a view to
  • the object is achieved by a displacement machine based on the spiral principle, in particular a scroll compressor, with a floch pressure chamber, a low pressure chamber, an orbiting displacement spiral, a counter-spiral and a counter-pressure chamber, which is arranged between the low-pressure chamber and the displacement spiral.
  • the displacement spiral engages in the
  • Counter-spiral such that at least a first and a second compression chamber for receiving a working medium are temporarily formed during operation and wherein the displacement spiral has at least one passage opening for fluid connection with the counter-pressure chamber.
  • the passage opening is arranged in the displacement spiral such that during operation the orbiting movement of the displacement spiral causes the passage opening to be temporarily at least partially in the first compression chamber and then temporarily at least partially in the second compression chamber.
  • the high pressure chamber is the area into which the compressed working medium flows before it is fed back into a circuit, for example a cooling circuit.
  • the low-pressure chamber can also be referred to as a suction chamber.
  • the gas flows out of the low-pressure chamber from the radial outside between the counter-spiral and the displacement spiral.
  • the orbiting movement of the displacement spiral is to be understood as a movement on a circular path.
  • the working medium is preferably a cooling fluid, particularly preferably a gaseous cooling fluid, for example CO2.
  • At least a first compression chamber and a second compression chamber are arranged between the counter-scroll and the displacement scroll.
  • a working medium or a fluid is arranged in the compression chambers during operation.
  • the compression chambers are formed in the radially outer area.
  • Compression chambers migrate inward in the radial direction. As the compression chambers move, the volume of the compression chambers decreases. This increases the pressure in the compression chambers or compresses the working medium. At the end the compression chambers unite and then dissolve. This process takes place continuously.
  • the passage opening moves on a circular path due to the orbiting movement of the displacement spiral.
  • the circular path of the through opening overlaps with the first compression chamber and the second compression chambers in such a way that the through opening is temporarily arranged at least in sections in the first and then in the second compression chamber and a fluid connection with the counter-pressure chamber is formed.
  • the through opening sweeps over the first compression chamber and the second compression chamber in such a way that the through opening is temporarily arranged at least in sections in the first and then in the second compression chamber and a fluid connection with the counter-pressure chamber is formed.
  • the passage opening changes from the first compression chamber to the second compression chamber due to the orbiting movement of the displacement spiral.
  • the counter-pressure chamber is alternately temporarily fluidly connected to the first compression chamber and to the second compression chamber.
  • the invention is advantageous because the temporary successive arrangement of the passage opening in at least two different compression chambers makes it possible to generate a pressure in the counter-pressure chamber in order to press the displacement spiral against the counter-spiral in such a way that the frictional forces that cause the orbiting movement of the displacement spiral brake or otherwise negatively influence, turn out to be as small as possible and at the same time the displacement spiral is arranged sufficiently fluid-tight on the counter-spiral.
  • the force acting on the counter-spiral from the displacement spiral is brought about by the pressure prevailing in the counter-pressure chamber.
  • the counter-spiral comprises spiral sections, the passage opening passing through at least one spiral section when changing from the first compression chamber to the second compression chamber, which is arranged between two compression chambers adjoining each other in the radial direction.
  • spiral sections are to be understood as the sections of the counter-spiral or the displacement spiral which delimit the first compression chamber and the second compression chamber.
  • Passing through the spiral sections is advantageous because in this way the transition between the compression chambers can be defined and the passage opening in the two compression chambers can be arranged immediately one after the other.
  • passing means crossing a spiral section in a radial direction or in a direction with a radial directional component.
  • the spiral section can be crossed completely and / or in sections.
  • the through opening is arranged in a section of the bottom of the displacement spiral.
  • the base is to be understood as the base plate from which the spiral sections extend orthogonally. It is advantageous if the through opening has a circular, elliptical or egg-shaped cross section. This enables various advantageous designs of the passage opening which influence the flow characteristics of the working medium. For example, it is possible that the area of the through opening, which during operation when passing a spiral section as first is exposed, has a larger cross section than an area which is still covered by the spiral section. This makes it possible to establish a good fluid connection with the counter-pressure chamber even before the through opening is completely open.
  • the first compression chamber is connected to the counter-pressure chamber in a fluid-conducting manner in an angular range of the angle of rotation of the orbiting displacement spiral of 120 ° to 400 °, in particular from 247 ° to 367 °.
  • the second compression chamber is connected to the counter-pressure chamber in a fluid-conducting manner in an angular range of the angle of rotation of the orbiting displacement spiral of 270 ° to 550 °, in particular 376 ° to 504 °.
  • the angular ranges of the angle of rotation in which the first and second compression chambers are fluidly connected to the counterpressure chamber are advantageous because the compression chambers can be fluidly connected to the counterpressure chamber over the largest possible range of the rotational angle of the orbiting displacement spiral.
  • the angular ranges for the first and second compression chambers are selected in such a way that the compression chambers are only fluidly connected to the counterpressure chamber when the pressure in the first and second compression chambers is high enough to generate sufficient pressure in the counterpressure chamber and the displacement spiral is fluid-tight and to press against the counter volute with little loss of performance.
  • the first compression chamber is particularly preferably fluidly connected to the counter-pressure chamber at a relative volume of 84% to 40%, in particular from 80% to 46%.
  • the second compression chamber is further particularly preferably fluidly connected to the counter-pressure chamber at a relative volume of 61% to 19%, in particular 44% to 24%.
  • the relative volume of the compression chambers is to be understood as the variable volume of the compression chambers at a specific point in time during a compression cycle of the displacement machine in relation to the initial volume at an angle of rotation of 0 °. The smaller the relative volume of a compression chamber, the greater the pressure in the respective compression chamber.
  • the compression cycle is the periodic process that is characterized by the compression chambers that are constantly being formed.
  • the ranges of the relative volumes in which the first and second compression chambers are fluidly connected to the counterpressure chamber are advantageous because it is thus possible that the compression chambers are only fluidly connected to the counterpressure chamber when the pressure in the respective compression chamber is sufficiently high is to enable a fluid-tight pressing of the displacement spiral against the counter-spiral.
  • the through opening is closed for an angular range of the angle of rotation of 5 ° to 20 ° when passing the spiral section when changing from the first to the second compression chamber or vice versa.
  • the period of time in which the passage opening is closed is so short that the effects on the pressure in the counter-pressure chamber are very small.
  • the period of time in which the passage opening is closed has no effect on the pressure in the counter-pressure chamber or the pressing force on the displacement spiral and consequently also has no effect on the function of the displacement machine.
  • the through opening has a control geometry which is arranged in the surface of the displacement spiral which faces the counter-spiral.
  • the control geometry delimits a fluid channel which conducts fluid through the passage opening with a compression chamber connects before the through opening is arranged in the compression chamber.
  • the control geometry enables the passage opening to be connected to a compression chamber in a fluid-conducting manner earlier or longer. As a result, the period of time in which the through opening is closed by the spiral section can be reduced.
  • control geometry has a depression and / or a notch. As a result, the control geometry can be easily produced with known production means and with little effort.
  • the spiral sections of the counter-spiral have a radially inner spiral wall and a radially outer spiral wall
  • control geometry is advantageously designed in such a way that the first and the second passage opening are not fluidly connected to one another at any point in time during the compression cycle. This prevents a pressure drop in the compression chambers.
  • the displacement spiral and / or the counter-spiral has a bevel at least in sections.
  • the bevel reduces the width of the spiral section in sections. As a result, the range of the angle of rotation over which the through opening moves in order to pass the spiral section is reduced. The bevel thus makes it possible to shorten the period of time in which the passage opening is closed.
  • a method for operating a displacement machine is also disclosed and claimed in which the passage opening is temporarily arranged at least in sections in the first compression chamber and then temporarily at least in sections in the second compression chamber and the respective compression chamber during operation due to the orbiting movement of the displacement spiral connects to the back pressure chamber in a fluid-conducting manner.
  • a vehicle air conditioning system with a displacement machine is disclosed and claimed.
  • a vehicle with a displacement machine according to the invention or a vehicle air conditioning system is disclosed and claimed.
  • FIG. 1 shows a schematic section of a counter-spiral and a displacement spiral of an exemplary embodiment of a displacement machine according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic section of a counter-spiral and a displacement spiral of an exemplary embodiment according to the invention of a displacement machine during a compression cycle at an angle of rotation of 0 °;
  • FIG. 3 shows a schematic section of the displacement machine according to FIG. 2 at an angle of rotation of 60 °;
  • 4 shows a schematic section of the displacement machine according to FIG. 2 at an angle of rotation of 160 °
  • 5 shows a schematic section of the displacement machine according to FIG. 2 at an angle of rotation of 300 °
  • FIG. 6 shows a schematic section of the displacement machine according to FIG. 2 at an angle of rotation of 400 °;
  • FIG. 7 shows a schematic section of the displacement machine according to FIG. 2 at an angle of rotation of 460 °
  • 8 shows a schematic section of the displacement machine according to FIG. 2 at an angle of rotation of 560 °
  • FIG. 9 shows a section through a displacement spiral of an exemplary embodiment of a displacement machine according to the invention.
  • FIG. 10 shows a section through an exemplary embodiment of a displacement machine according to the invention
  • FIG. 11 shows a further section through the displacement machine according to FIG. 10.
  • FIG. 1 shows a schematic view of the arrangement of a displacement spiral 13 and a counter-spiral 14 in a displacement machine 10.
  • the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14 are in engagement with one another.
  • the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14 have spiral sections 18 which are arranged orthogonally on a base plate or a floor.
  • the bottom or the base plate is circular.
  • the spiral sections 18 extend away from the floor or the base plate.
  • the spiral sections of the displacement spiral 13 extend in the direction of the counter-spiral 14 and the spiral sections 18 of the counter-spiral 14 in the direction of the displacement spiral 13.
  • the displacement spiral 13 is arranged in the displacement machine 10 in such a way that an orbiting movement in the counter-spiral 14 is possible.
  • the structure of the displacement machine 10 is explained in more detail in the description of FIGS. 10 and 11.
  • the orbiting movement is to be understood as a movement on a circular path.
  • FIG. 1 shows a point in time in a compression cycle of the displacement machine 10 at an angle of rotation of the displacement spiral 13 of 181 °.
  • a through opening 17 is arranged in the displacement spiral 13.
  • the through opening 17 is arranged in the bottom or in the base plate of the displacement spiral 13.
  • the through opening 17 is arranged centrally between two spiral sections 18 of the displacement spiral 13.
  • the through opening 17 runs orthogonally to the surface of the floor. In the installed state, the through opening 17 extends between a side of the base plate facing the counter-spiral 14 and a side of the base plate facing away from the counter-spiral 14.
  • the through opening 17 has an opening on both sides of the base plate which connect the two sides of the base or the base plate to one another. In other words, the through opening 17 forms a passage between the two sides of the base plate.
  • the through opening 17 has a circular cross section. Other shapes are possible.
  • the through opening 17 preferably has a bore.
  • the diameter of the through opening 17 is preferably between 0.1 mm and 1 mm.
  • the through opening 17 has a control geometry 19 for controlling the flow characteristics of the working medium.
  • the control geometry 19 extends essentially in a radial direction of the displacement spiral 13. In other words, the direction in which the control geometry 19 extends has a radial directional component. Alternatively, other shapes and directions of the control geometry 19 are possible.
  • the control geometry 19 extends from the through opening 17 to the radially outward direction of the displacement spiral 13.
  • the control geometry 19 is arranged in a surface of the bottom or the base plate of the displacement spiral 13.
  • the control geometry 19 does not penetrate the bottom of the displacement spiral 13.
  • the control geometry 19 has a slot.
  • the slot is straight.
  • the through opening 17 is arranged at a radially inner end.
  • the radially outer end of the control geometry has a circular section. Other shapes are possible.
  • the control geometry 19 is preferably designed as a milled recess or notch.
  • the spiral sections 18 of the counter-spiral 14 have a radially inner spiral wall 20a and a radially outer spiral wall 20b.
  • the dimension of the control geometry 19 and the through opening 17 extends between the radially inner spiral wall 20a and the radially outer spiral wall 20b.
  • the control geometry 19 and the through opening 17 do not protrude beyond the spiral walls 20a, 20b. In other words, if the control geometry 19 and a spiral section 18 are placed one on top of the other, the control geometry 19 and the through opening 17 do not protrude beyond the side walls 20a, 20b, but are completely covered.
  • a first compression chamber 16a and a second compression chamber 16b are formed between the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14.
  • the compression chambers 16a, 16b serve to receive and compress a working medium.
  • a gaseous coolant, for example, is possible as the working medium.
  • the compression chambers 16a, 16b are described in more detail below.
  • the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14 each have a bevel 21 along the spiral walls 20a, 20b.
  • the chamfer 21 extends along the entire spiral turn.
  • the bevel 21 is arranged in sections on the spiral sections 18. It is thus possible for the bevel 21 to be arranged only in the areas of the spiral sections 18 in which the through opening 17 passes the spiral sections 18 when changing between the two compression chambers 16a, 16b.
  • FIGS. 2 to 8 Various states of a compression cycle of a displacement machine 10 are shown schematically in FIGS. 2 to 8.
  • the relative positions of the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14 to one another are described as snapshots with a view to the geometry of the respective components.
  • 2 shows a schematic view of a compression cycle with a displacement spiral 13 and a counter-spiral 14, which are in engagement with one another, at an angle of rotation of 0 °.
  • the compression cycle of the displacement machine 10 begins at the angle of rotation 0 °.
  • the angle of rotation 0 ° describes the state in which one of the at least two
  • Compression chambers 16a, 16b is closed. It is possible that both compression chambers are closed at 0 °.
  • a compression chamber is closed when the compression chamber is enclosed in a fluid-tight manner by the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14.
  • the first compression chamber 16a is still open.
  • Compression chamber 16b is closed.
  • the compression chambers 16a, 16b are arranged in the radially outer region of the spirals 13, 14.
  • two further first and second compression chambers 16c, 16d of a previous compression cycle are formed.
  • the relative volume of the compression chambers 16a, 16b is greater than the relative volume of the compression chambers 16c, 16d.
  • an inner compression chamber 23 is arranged in the area of the center of the arrangement of the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14.
  • the inner compression chamber 23 is formed from two compression chambers which are combined with one another.
  • the through opening 17 with the control geometry 19 is arranged in the displacement spiral 13.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are covered by a spiral section 18 of the counter-spiral 14.
  • the through opening 17 is therefore closed.
  • 3 shows a snapshot of the compression cycle at an angle of rotation of the displacement spiral 13 of 60 °. In Fig. 3, both compression chambers 16a, 16b are closed.
  • the relative volumes of the compression chambers 16a, 16b in FIG. 3 are smaller than the relative volumes of the compression chambers 16a, 16b in FIG. 2.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged in the compression chamber 16d. In other words, the through opening 17 is not covered or closed by a spiral section 18.
  • FIG. 4 shows a view of the compression cycle at an angle of rotation of 160 °.
  • the relative volumes of the compression chambers 16a, 16b are smaller than in the figures described above.
  • the through opening 17 is covered by a spiral section 18 of the counter-spiral 14.
  • the control geometry 19 partially protrudes into the first compression chamber 16a.
  • the through opening 17 is therefore fluidly connected to the first compression chamber 16a.
  • the compression chambers 16c, 16d have combined to form the inner compression chamber 23.
  • FIG 5 shows a view of the compression cycle at an angle of rotation of 300 °.
  • the relative volumes of the first and second compression chambers 16a, 16b have further decreased.
  • New compression chambers 16e, 16f begin to form in the radially outer area of the two spirals.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged completely in the first compression chamber 16a.
  • FIG. 6 shows the compression cycle at an angle of rotation of 400 °.
  • two new compression chambers 16e, 16f have formed in the radially outer area of the displacement spirals 13, 14, two new compression chambers 16e, 16f have formed.
  • the relative volumes of the compression chambers 16a, 16b have decreased further.
  • the through opening 17 and a section of the control geometry 19 are arranged in the second compression chamber 16b. Part of the control geometry 19 is covered by the spiral section 18 of the counter-spiral 14.
  • the outlet opening 22 is partially arranged in the inner compression chamber 23 and in the second compression chamber 16b.
  • FIG. 7 shows the compression cycle at an angle of rotation of 460 °.
  • the relative volumes of the first and second compression chambers 16a, 16b have further decreased.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged completely in the second compression chamber 16b.
  • the outlet port 22 is arranged in the second compression chamber 16b.
  • the outlet opening 22 is partially covered by the displacement spiral 13.
  • FIG. 8 shows the compression cycle at an angle of rotation of the displacement spiral 13 of 560 °.
  • the first and second compression chambers 16a, 16b have combined to form an inner compression chamber 23.
  • the outlet opening 22 is arranged completely in the inner compression chamber 23.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged completely in the newly formed first compression chamber 16e.
  • the passage opening 17 extends in a straight line.
  • the through opening 17 extends orthogonally to the surface of the displacement spiral 13.
  • the surface here is to be understood as the surface which faces the counter-spiral 14.
  • the control geometry 19 is arranged in the surface of the displacement spiral 13.
  • the control geometry 19 comprises a recess.
  • a notch or a milling is possible.
  • the control geometry 19 comprises a gap, the gap being open in the direction of the counter-spiral 14 and closed in the direction of the displacement spiral 13.
  • the control geometry 19 runs along a radial direction of the displacement spiral 13. Other orientations and geometries for the control geometry are conceivable. It is also possible that the control geometry 19 does not run straight.
  • FIGS. 10 and 11 each show sections through an exemplary embodiment of a displacement machine 10 according to the invention.
  • the positive displacement machine 10 comprises a housing 24.
  • the housing 24 has a cylindrical shape.
  • a drive 25 is arranged in the housing 24.
  • An electric motor or a mechanical drive 25, for example, is conceivable as the drive 25.
  • the drive 25 is connected to a shaft 26 and drives the shaft 26.
  • the shaft 26 extends in a longitudinal direction of the housing 24.
  • An eccentric bearing 27 with an eccentric pin is arranged at one axial end of the shaft 26.
  • the displacement spiral 13 is connected to the shaft 26 by the eccentric bearing 27.
  • the counter-spiral 14 is arranged in the housing 24.
  • the counter-spiral 14 is arranged in a fixed and immovable manner in the housing 24 of the displacement machine 10. It is possible for the counter-spiral 14 to be formed in one piece with the housing 24.
  • a low-pressure chamber 12 On the side of the displacement spiral 13 facing away from the counter-spiral 14, a low-pressure chamber 12 is arranged.
  • a counter-pressure chamber 15 is arranged between the low-pressure chamber 12 and the displacement spiral 13.
  • the displacement spiral 13 is arranged in the housing 24 so as to be movable in a direction parallel to the longitudinal direction of the shaft 26. In other words, the displacement spiral 13 can be displaced in the direction of the counter-spiral 14 and away from the counter-spiral 14. In the bottom of the displacement spiral 13 is the
  • a high-pressure chamber 11 is arranged on the side of the counter-spiral 14 facing away from the displacement spiral 13.
  • the compression chambers 16 are formed by the interlocking spirals 13, 14. In other words, the compression chambers 16 are delimited by the spiral sections 18 of the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14.
  • the working medium for example a coolant, is sucked in at the beginning of a compression cycle in a radially outer region of the spirals 13, 14.
  • the working medium is transported in the compression chambers 16a, 16b between the displacement spiral 13 and the counter-spiral 14.
  • the orbiting movement of the displacement spiral 13 reduces the relative volumes of the compression chambers 16.
  • the compression chambers 16 are temporary.
  • the compression chambers 16 are continuously re-formed in the outer radial area of the spiral arrangement and then migrate into the radial interior of the spiral arrangement and dissolve in the radial interior of the spiral arrangement.
  • the path of movement of the compression chambers 16 is spiral. In the embodiment shown in FIGS. 2 to 8, up to five compression chambers 16, 23 are possible.
  • first and second compression chambers 16 are in each case two pairs with first and second compression chambers 16 and an inner compression chamber 23.
  • configurations are possible which comprise more or fewer compression chambers 16, 23.
  • the through opening 17 forms a fluid connection between the first compression chamber 16a and the counterpressure chamber 15 in an angular range of the angle of rotation between 147 ° to 367 ° of the counter-pressure chamber 15. In the angular range of the angle of rotation between 367 ° and 376 °, the through opening 17 is closed by a spiral section 18 of the counter-spiral 14.
  • the through opening 17 is arranged first in the first compression chamber 16a and then in the second compression chamber 16b of a compression cycle.
  • the through opening 17 is arranged once per compression cycle in one of the compression chambers 16a, 16b. After the second compression chamber 16b migrates Passage opening 17 to the first compression chamber 16c, of the subsequent compression cycle.
  • control geometry 19 forms a fluid-conducting channel with a side of the counter-spiral 14 facing the displacement spiral. This makes it possible for a fluid-conducting connection to be formed between a compression chamber 16 and the counterpressure chamber 15 before the through opening 17 is completely or partially arranged in a compression chamber 16.
  • the compressed working medium flows through the outlet opening 22 into the high pressure chamber 11.
  • the working medium passes through the high pressure chamber 11 again into a working circuit, in particular into a cooling circuit.
  • the secondary outlet openings 22a, 22b are arranged in different pressure areas of the displacement machine 10 during operation due to the different distances from the center point of the counter-spiral 14.
  • a compression cycle is explained below with reference to FIGS. 2 to 8.
  • the compression chambers 16a, 16b are considered.
  • Fig. 2 shows the compression cycle at an angle of rotation of 0 °.
  • one of the at least two compression chambers 16a, 16b is closed.
  • no fluid connection is formed between one of the compression chambers 16 and the counter-pressure chamber 15, since the through opening 17 with the control geometry 19 is completely covered by a spiral section 18.
  • the first and second compression chambers 16a, 16b are closed.
  • the relative volumes of the compression chambers 16a, 16b decrease as the angle of rotation increases.
  • the passage opening 17 and the control geometry 19 move on a circular path.
  • the through opening 17 has moved further.
  • the through opening 17 is covered by the spiral section 18 which separates the first compression chamber 16a and the second compression chamber 16b.
  • the through hole 17 is not arranged in the first compression chamber 16a.
  • the control geometry 19 of the through opening 17 is arranged in sections in the first compression chamber 16a.
  • the control geometry 19 and the spiral section 18 delimit a channel.
  • the counter-pressure chamber 15 is connected in a fluid-conducting manner to the first compression chamber 16a through the channel.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged completely in the first compression chamber 16a.
  • the working medium can flow directly through the passage opening 17 into the counter-pressure chamber 15.
  • the pressure in the first compression chamber 16a is higher in FIG. 5 than in the first compression chamber 16a in FIG. 4.
  • the pressure in the compression chambers 16a, 16b increases as the relative volumes decrease.
  • FIG. 6 shows that at an angle of rotation of 400 ° the through opening 17 is arranged in the second compression chamber 16b.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 have passed the spiral section 18 of the counter-spiral 14. While the spiral section 18 is passing through, the through opening 17 is closed by the spiral section 18.
  • the period of time in which the counter-pressure chamber 15 is not connected to any compression chamber 16 is not sufficient for the pressure in the counter-pressure chamber decreases, so that the displacement spiral 13 is no longer pressed against the counter-spiral 14 in a fluid-tight manner.
  • Fig. 7 the state of the compression cycle is shown at a rotation angle of 460 °.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged completely in the second compression chamber 16b.
  • the first and second compression chambers 16a, 16b are about to unite and form the inner compression chamber 23.
  • FIG. 7 it can be seen that a new compression cycle begins at the same time as the current compression cycle.
  • an angle of rotation of 560 ° see. Fig. 8
  • Compression chamber 16a, 16b combined to form the inner compression chamber 23.
  • the through opening 17 and the control geometry 19 are arranged in a subsequent first compression chamber 16e of the new compression cycle.
  • first and second compression chambers 16a, 16b and the first and second compression chambers 16a, 16b are identical to each other. It is possible that several compaction cycles take place in parallel.
  • Compression chambers 16c, 16d are assigned to different compression cycles.
  • each compression cycle includes a pair of first and second compression chambers 16a, 16b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter, mit einer Hochdruckkammer (11), einer Niederdruckkammer (12), einer orbitierenden Verdrängerspirale (13), einer Gegenspirale (14) und einer Gegendruckkammer (15), die zwischen der Niederdruckkammer (12) und der Verdrängerspirale (13) angeordnet ist, wobei die Verdrängerspirale (13) in die Gegenspirale (14) eingreift derart, dass im Betrieb temporär wenigstens eine erste und eine zweite Verdichtungskammer (16a, 16b) zur Aufnahme eines Arbeitsmediums gebildet sind und wobei die Verdrängerspirale (13) wenigstens eine Durchgangsöffnung (17) zur Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer (15) aufweist, wobei die Durchgangsöffnung (17) in der Verdrängerspirale (13) angeordnet ist derart, dass im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale (13) die Durchgangsöffnung (17) temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer (16a) und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer (16b) angeordnet ist.

Description

Verdrängermaschine, Verfahren, Fahrzeugklimaanlage und Fahrzeug
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren, eine Fahrzeugklimaanlage und ein Fahrzeug.
Eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art ist aus DE 10 2017 110 913 B3 bekannt. In DE 10 2017 110 913 B3 ist ein Scrollverdichter beschrieben, der eine Verdrängerspirale und eine Gegenspirale umfasst. Die Verdrängerspirale greift in die Gegenspirale ein. Durch die orbitierende Verdrängerspirale bilden sich Verdichtungskammern, in denen ein Kühlmittel verdichtet wird. Damit eine Verdichtung des Kühlmittels möglich ist, muss die Verdrängerspirale dicht an der Gegenspirale anliegen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Verdrängerspirale an die Gegenspirale angepresst wird. Dazu ist an der der Gegenspirale abgewandten Seite der Verdrängerspirale eine Gegendruckkammer angeordnet. Eine solche Gegendruckkammer ist auch unter der Bezeichnung Back-Pressure-Raum bekannt. Die Gegendruckkammer bzw. der Back-Pressure-Raum hat die Funktion, einen Druck aufzubauen. Hierfür umfasst die Verdrängerspirale eine Öffnung, welche die Gegendruckkammer bzw. den Back-Pressure-Raum mit einer Verdichtungskammer fluidverbindet. Der Druck im Back-Pressure-Raum beaufschlagt die Verdrängerspirale mit einer Kraft, die die Verdrängerspirale an die Gegenspirale presst, so dass die beiden Spiralen zueinander fluiddicht abgedichtet sind.
Bei bekannten Scrollverdichtern der eingangs genannten Art muss der Druck in der Gegendruckkammer gerade groß genug sein, um die Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu pressen derart, dass die Verdrängerspirale fluiddicht an der Gegenspirale anliegt. Der Druck sollte jedoch nicht zu groß sein, so dass Reibungskräfte auftreten, die die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale bremsen oder zu Leistungseinbußen führen. Das Bereitstellen eines ausreichend hohen Drucks für die Gegendruckkammer um die Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu pressen und dabei möglichst wenig Leistungseinbußen zu verursachen, ist mit konstruktivem Aufwand verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verdrängermaschine anzugeben, bei der das Erzeugen des Drucks zum Anpressen der Verdrängerspirale an die Gegenspirale verbessert ist derart, dass eine einfache und kostengünstige Konstruktion der Verdrängermaschine möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, eine Fahrzeugklimaanlage und ein Fahrzeug anzugeben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit Blick auf
- die Verdrängermaschine durch den Gegenstand des Anspruchs 1,
- das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 14,
- die Fahrzeugklimaanlage durch den Gegenstand des Anspruchs 15 und
- das Fahrzeug durch den Gegenstand des Anspruchs 16 gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter, mit einer Flochdruckkammer, einer Niederdruckkammer, einer orbitierenden Verdrängerspirale, einer Gegenspirale und einer Gegendruckkammer, die zwischen der Niederdruckkammer und der Verdrängerspirale angeordnet ist, gelöst. Die Verdrängerspirale greift in die
Gegenspirale ein derart, dass im Betrieb temporär wenigstens eine erste und eine zweite Verdichtungskammer zur Aufnahme eines Arbeitsmediums gebildet sind und wobei die Verdrängerspirale wenigstens eine Durchgangsöffnung zur Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer aufweist. Die Durchgangsöffnung ist in der Verdrängerspirale angeordnet derart, dass im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale die Durchgangsöffnung temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet ist. Die Hochdruckkammer ist der Bereich, in den das verdichtete Arbeitsmedium strömt, bevor es wieder einem Kreislauf, bspw. einem Kühlkreislauf, zugeführt wird.
Die Niederdruckkammer kann auch als Ansaugraum bezeichnet werden. Aus der Niederdruckkammer strömt das Gas von radial außen zwischen die Gegenspirale und die Verdrängerspirale.
Unter der orbitierenden Bewegung der Verdrängerspirale ist eine Bewegung auf einer Kreisbahn zu verstehen.
Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich vorzugsweise um ein Kühlfluid, besonders bevorzugt um ein gasförmiges Kühlfluid, beispielsweise CO2.
Zwischen der Gegenspirale und der Verdrängerspirale sind wenigstens eine erste Verdichtungskammer und eine zweite Verdichtungskammer angeordnet. In den Verdichtungskammern ist im Betrieb ein Arbeitsmedium bzw. ein Fluid angeordnet. Die Verdichtungskammern bilden sich im radial äußeren Bereich. Die
Verdichtungskammern wandern in radialer Richtung nach Innen. Während dem Wandern der Verdichtungskammern verkleinert sich das Volumen der Verdichtungskammern. Dadurch erhöht sich der Druck in den Verdichtungskammern bzw. wird das Arbeitsmedium verdichtet. Zu Schluss vereinigen sich die Verdichtungskammern und lösen sich anschließend auf. Dieser Vorgang findet kontinuierlich statt.
Die Durchgangsöffnung bewegt sich durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale auf einer Kreisbahn. Die Kreisbahn der Durchgangsöffnung überschneidet sich mit der ersten Verdichtungskammer und der zweiten Verdichtungskammern derart, dass die Durchgangsöffnung temporär zumindest abschnittsweise in der ersten und danach in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet ist und eine Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer gebildet ist.
Anders gesagt überstreicht die Durchgangsöffnung die erste Verdichtungskammer und die zweite Verdichtungskammer derart, dass die Durchgangsöffnung temporär zumindest abschnittsweise in der ersten und danach in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet ist und eine Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer gebildet ist.
Die Durchgangsöffnung wechselt durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale von der ersten Verdichtungskammer zur zweiten Verdichtungskammer. Dadurch ist die Gegendruckkammer abwechselnd temporär mit der ersten Verdichtungskammer und mit der zweiten Verdichtungskammer fluidverbunden.
Es ist möglich, dass mehr als zwei Verdichtungsräume zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale gebildet sind und die Durchgangsöffnung in mehr als zwei Verdichtungskammern temporär zumindest abschnittsweise angeordnet ist.
Die Erfindung ist vorteilhaft, da es durch die temporäre aufeinanderfolgende Anordnung der Durchgangsöffnung in wenigstens zwei verschiedenen Verdichtungskammern möglich ist, in der Gegendruckkammer einen Druck zu erzeugen, um die Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu pressen derart, dass die Reibungskräfte, welche die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale bremsen oder auf sonstige Art und Weise negativ beeinflussen, möglichst gering ausfallen und gleichzeitig die Verdrängerspirale ausreichend fluiddicht an der Gegenspirale angeordnet ist. Die von der Verdrängerspirale auf die Gegenspirale wirkende Kraft wird durch den in der Gegendruckkammer herrschenden Druck bewirkt.
Weitere Fluidverbindungen, welche die Gegendruckkammer mit einem Druck beaufschlagen und/oder den Druck in der Gegendruckkammer beeinflussen, können so entfallen. Anders gesagt ist die Durchgangsöffnung in der Verdrängerspirale ausreichend, um einen ausreichenden Druck in der Gegendruckkammer zu erzeugen. Dadurch ist eine kompaktere Bauform möglich, da auf Weitere Fluidverbindungen verzichtet werden kann. Ferner werden Zeit und Kosten durch den geringeren Fertigungsaufwand eingespart.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gegenspirale Spiralenabschnitte, wobei die Durchgangsöffnung beim Wechseln von der ersten Verdichtungskammer zur zweiten Verdichtungskammer wenigstens einen Spiralenabschnitt passiert, der zwischen zwei in radialer Richtung aneinander angrenzenden Verdichtungskammern angeordnet ist.
Unter den Spiralenabschnitten sind die Abschnitte der Gegenspirale oder der Verdrängerspirale zu verstehen, die die erste Verdichtungskammer und die zweite Verdichtungskammer begrenzen.
Das Passieren der Spiralenabschnitte ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Übergang zwischen den Verdichtungskammern definierbar ist und die Anordnung der Durchgangsöffnung in den zwei Verdichtungskammern zeitlich unmittelbar nacheinander erfolgen kann.
Der Begriff Passieren bedeutet das Überqueren eines Spiralenabschnitts in radialer Richtung oder in eine Richtung mit einer radialen Richtungskomponente. Der Spiralenabschnitt kann ganz und/oder abschnittsweise überquert werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung in einem Abschnitt des Bodens der Verdrängerspirale angeordnet.
Es ist vorteilhaft, die Durchgangsöffnung im Boden der Verdrängerspirale anzuordnen, da das Passieren der Spiralenabschnitte durch die
Durchgangsöffnung so erleichtert wird. Des Weiteren ist so eine gerade und möglichst kurze Verbindung mit der Gegendruckkammer realisierbar.
Unter dem Boden ist die Grundplatte zu verstehen, von der ausgehend sich die Spiralenabschnitte orthogonal erstrecken. Es ist vorteilhaft, wenn die Durchgangsöffnung einen kreisförmigen, elliptischen oder eiförmigen Querschnitt aufweist. Das ermöglicht verschiedene vorteilhafte Ausführungen der Durchgangsöffnung, welche die Strömungscharakteristik des Arbeitsmediums beeinflussen. Bspw. ist möglich, dass der Bereich der Durchgangsöffnung, der im Betrieb beim Passieren eines Spiralenabschnitts als erstes freigelegt wird, einen größeren Querschnitt aufweist als ein Bereich, der noch vom Spiralenabschnitt verdeckt ist. Dadurch ist es möglich, noch bevor die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist, eine gute Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer herzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Verdichtungskammer in einem Winkelbereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale von 120° bis 400°, insbesondere von 247° bis 367°, mit der Gegendruckkammer fluidleitend verbunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Verdichtungskammer in einem Winkelbereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale von 270° bis 550°, insbesondere 376° bis 504°, mit der Gegendruckkammer fluidleitend verbunden.
Die Winkelbereiche des Drehwinkels, in denen die erste und die zweite Verdichtungskammer mit der Gegendruckkammer fluidverbunden sind, sind vorteilhaft, da jeweils über einen möglichst großen Bereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale eine Fluidverbindung der Verdichtungskammern mit der Gegendruckkammer möglich ist.
Die Winkelbereiche für die erste und zweite Verdichtungskammer sind derart gewählt, dass die Verdichtungskammern erst dann mit der Gegendruckkammer fluidverbunden sind, wenn der Druck in der ersten und zweiten Verdichtungskammer groß genug ist, um einen ausreichenden Druck in der Gegendruckkammer zu erzeugen und die Verdrängerspirale fluiddicht und mit geringen Leistungseinbußen an die Gegenspirale zu pressen.
Besonders bevorzugt ist die erste Verdichtungskammer bei einem relativen Volumen von 84% bis 40%, insbesondere von 80% bis 46%, mit der Gegendruckkammer fluidverbunden.
Weiter besonders bevorzugt ist die zweite Verdichtungskammer bei einem relativen Volumen von 61% bis 19%, insbesondere von 44% bis 24%, mit der Gegendruckkammer fluidverbunden. Unter dem relativen Volumen der Verdichtungskammern ist das veränderliche Volumen der Verdichtungskammern zu einem bestimmen Zeitpunkt während einem Verdichtungszyklus der Verdrängermaschine in Relation zum Anfangsvolumen bei einem Drehwinkel von 0° zu verstehen. Je geringer das relative Volumen einer Verdichtungskammer, desto größer ist der Druck in der jeweiligen Verdichtungskammer.
Unter dem Verdichtungszyklus ist der periodische Prozess zu verstehen, der durch die sich immer neu bildenden Verdichtungskammern charakterisiert ist.
Die Bereiche der relativen Volumina, bei denen die erste und die zweite Verdichtungskammer mit der Gegendruckkammer fluidverbunden sind, sind vorteilhaft, da es so möglich ist, dass die Verdichtungskammern jeweils erst dann mit der Gegendruckkammer fluidverbunden wird, wenn der Druck in der jeweiligen Verdichtungskammer ausreichend hoch ist, um ein fluiddichtes anpressen der Verdrängerspirale an die Gegenspirale zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung beim Passieren des Spiralenabschnitts beim Wechseln von der ersten zu der zweiten Verdichtungskammer oder umgekehrt, für einen Winkelbereich des Drehwinkels von 5° bis 20° verschlossen.
Dadurch ist es möglich, die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist möglichst gering zu halten. Genauer ist die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist, so klein, dass die Auswirkungen auf den Druck in der Gegendruckkammer sehr gering sind. Somit hat die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist, keinen Effekt auf den Druck in der Gegendruckkammer bzw. die Anpresskraft auf die Verdrängerspirale und folglich auch keinen Effekt auf die Funktion der Verdrängermaschine.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Durchgangsöffnung eine Steuergeometrie auf, die in der Oberfläche der Verdrängerspirale angeordnet ist, die der Gegenspirale zugewandt ist.
Die Steuergeometrie begrenzt bspw. mit einem Spiralenabschnitt einen Fluidkanal, der die Durchgangsöffnung mit einer Verdichtungskammer fluidleitend verbindet, bevor die Durchgangsöffnung in der Verdichtungskammer angeordnet ist. Die Steuergeometrie ermöglicht es, dass die Durchgangsöffnung früher bzw. länger mit einer Verdichtungskammer fluidleitend verbunden ist. Dadurch kann die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung von dem Spiralenabschnitt verschlossen ist, verringert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Steuergeometrie eine Vertiefung und/oder eine Einkerbung aufweist. Dadurch ist die Steuergeometrie mit bekannten Fertigungsmitteln und mit geringem Aufwand einfach herstellbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Spiralenabschnitte der Gegenspirale eine radial innere Spiralenwand und eine radial äußere
Spiralenwand auf, wobei die Steuergeometrie und/oder die Durchgangsöffnung im verschlossen Zustand zwischen den Spiralenwänden angeordnet ist.
Die Steuergeometrie ist so vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass die erste und die zweite Durchgangsöffnung zu keinem Zeitpunkt des Verdichtungszyklus miteinander fluidverbunden sind. Dadurch wird ein Druckabfall in den Verdichtungskammern verhindert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Verdrängerspirale und/oder die Gegenspirale wenigstens abschnittsweise eine Fase auf. Durch die Fase ist die Breite des Spiralenabschnitts abschnittsweise reduziert. Dadurch ist der Bereich des Drehwinkels, über den sich die Durchgangsöffnung bewegt, um den Spiralenabschnitt zu passieren, reduziert. Die Fase ermöglicht es so, die Zeitspanne, in der die Durchgangsöffnung verschlossen ist, zu verkürzen.
Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine offenbart und beansprucht, bei dem die Durchgangsöffnung im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer angeordnet wird und die jeweilige Verdichtungskammer mit der Gegendruckkammer fluidleitend verbindet. Im Rahmen der Erfindung wird eine Fahrzeugklimaanlage mit einer Verdrängermaschine offenbart und beansprucht.
Als weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine oder einer Fahrzeugklimaanlage offenbart und beansprucht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer Gegenspirale und einer Verdrängerspirale eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Verdrängermaschine;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt einer Gegenspirale und einer Verdrängerspirale eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Verdrängermaschine während eines Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 0°;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß Fig. 2 bei einem Drehwinkel von 60°;
Fig. 4 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß Fig. 2 bei einem Drehwinkel von 160°; Fig. 5 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß Fig. 2 bei einem Drehwinkel von 300°;
Fig. 6 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß Fig. 2 bei einem Drehwinkel von 400°;
Fig. 7 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß Fig. 2 bei einem Drehwinkel von 460°; Fig. 8 einen schematischen Schnitt der Verdrängermaschine gemäß Fig. 2 bei einem Drehwinkel von 560°;
Fig. 9 einen Schnitt durch eine Verdrängerspirale eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Verdrängermaschine;
Fig. 10 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Verdrängermaschine;
Fig. 11 einen weiteren Schnitt durch die Verdrängermaschine gemäß Fig. 10. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der Anordnung einer Verdrängerspirale 13 und einer Gegenspirale 14 in einer Verdrängermaschine 10.
Die Verdrängerspirale 13 und die Gegenspirale 14 stehen miteinander in Eingriff. Die Verdrängerspirale 13 und die Gegenspirale 14 weisen Spiralenabschnitte 18 auf, die orthogonal auf einer Grundplatte bzw. einem Boden angeordnet sind. Der Boden bzw. die Grundplatte ist kreisförmig. Die Spiralenabschnitte 18 erstrecken sich von dem Boden bzw. der Grundplatte weg. Im eingebauten Zustand erstrecken sich die Spiralenabschnitte der Verdrängerspirale 13 in Richtung der Gegenspirale 14 und die Spiralenabschnitte 18 der Gegenspirale 14 in Richtung der Verdrängerspirale 13. Die Gegenspirale 14 ist fest bzw. unbeweglich in der Verdrängermaschine 10 angeordnet. Die Verdrängerspirale 13 ist derart in der Verdrängermaschine 10 angeordnet, dass eine orbitierende Bewegung in der Gegenspirale 14 möglich ist. Der Aufbau der Verdrängermaschine 10 wird bei der Beschreibung der Fig.10 und Fig. 11 näher erläutert. Unter der orbitierenden Bewegung ist eine Bewegung auf einer Kreisbahn zu verstehen.
Im Bereich des Zentrums bzw. des Mittelpunkts der Gegenspirale ist eine Auslassöffnung 22 angeordnet. Die Auslassöffnung 22 ist außermittig in der Gegenspirale 14 angeordnet. Die Positionen der Verdrängerspirale 13 während eines Verdichtungszyklus sind durch den Drehwinkel der orbitierenden Bewegung darstellbar. Unter dem Verdichtungszyklus ist ein Durchlauf bzw. eine Periode des kontinuierlich wiederkehrenden Verdichtungsprozesses zu verstehen. So zeigt Fig. 1 einen Zeitpunkt in einem Verdichtungszyklus der Verdrängermaschine 10 bei einem Drehwinkel der Verdrängerspirale 13 von 181°.
In der Verdrängerspirale 13 ist eine Durchgangsöffnung 17 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 ist im Boden bzw. in der Grundplatte der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 ist mittig zwischen zwei Spiralenabschnitten 18 der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 verläuft orthogonal zur Oberfläche des Bodens. Die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich im eingebauten Zustand zwischen einer der Gegenspirale 14 zugewandten Seite der Grundplatte und einer der Gegenspirale 14 abgewandten Seite der Grundplatte. Die Durchgangsöffnung 17 weist auf beiden Seiten der Grundplatte jeweils eine Öffnung auf, welche die beiden Seiten des Bodens bzw. der Grundplatte miteinander verbinden. Anders gesagt bildet die Durchgangsöffnung 17 einen Durchgang zwischen den beiden Seiten der Grundplatte. Die Durchgangsöffnung 17 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Andere Formen sind möglich. Die Durchgangsöffnung 17 weist vorzugsweise eine Bohrung auf. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 17 beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm.
Die Durchgangsöffnung 17 weist zum Steuern der Strömungscharakteristik des Arbeitsmediums eine Steuergeometrie 19 auf.
Die Steuergeometrie 19 erstreckt sich im Wesentlichen in eine radiale Richtung der Verdrängerspirale 13. Mit anderen Worten weist die Richtung, in die sich die Steuergeometrie 19 erstreckt, eine radiale Richtungskomponente auf. Alternativ sind andere Formen und Richtungen der Steuergeometrie 19 möglich. Die Steuergeometrie 19 erstreckt sich von der Durchgangsöffnung 17 ausgehend nach radial außen der Verdrängerspirale 13.
Die Steuergeometrie 19 ist in einer Oberfläche des Bodens bzw. der Grundplatte der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Die Steuergeometrie 19 durchdringt den Boden der Verdrängerspirale 13 nicht. Die Steuergeometrie 19 weist einen Schlitz auf. Der Schlitz ist gerade. An einem radial Inneren Ende ist die Durchgangsöffnung 17 angeordnet. Das radial äußere Ende der Steuergeometrie weist einen kreisförmigen Abschnitt auf. Andere Formen sind möglich. Die Steuergeometrie 19 ist vorzugsweise als eine Einfräsung oder Einkerbung ausgebildet.
Die Spiralenabschnitte 18 der Gegenspirale 14 weisen eine radial innere Spiralwand 20a und eine radial äußere Spiralwand 20b auf. Die Dimension der Steuergeometrie 19 und der Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich zwischen der radial inneren Spiralwand 20a und der radial äußeren Spiralwand 20b. Die Steuergeometrie 19 und die Durchgangsöffnung 17 ragen nicht über die Spiralwände 20a, 20b hinaus. Anders gesagt, legt man die Steuergeometrie 19 und einen Spiralenabschnitt 18 übereinander, ragen die Steuergeometrie 19 und die Durchgangsöffnung 17 nicht über die Seitenwände 20a, 20b heraus, sondern sind vollständig verdeckt.
Zwischen der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 ist eine erste Verdichtungskammer 16a und eine zweite Verdichtungskammer 16b ausgebildet. Die Verdichtungskammern 16a, 16b dienen der Aufnahme und dem Verdichten eines Arbeitsmediums. Als Arbeitsmedium ist beispielsweise ein gasförmiges Kühlmittel möglich. Die Verdichtungskammern 16a, 16b werden unten näher beschrieben.
Die Verdrängerspirale 13 und die Gegenspirale 14 weisen jeweils entlang der Spiralwände 20a, 20b eine Fase 21 auf. Die Fase 21 erstreckt sich entlang der gesamten Spiralenwindung. Alternativ ist die Fase 21 abschnittsweise an den Spiralenabschnitten 18 angeordnet. So ist es möglich, dass die Fase 21 nur in den Bereichen der Spiralenabschnitte 18 angeordnet ist, in denen die Durchgangsöffnung 17 die Spiralenabschnitte 18, beim Wechsel zwischen den zwei Verdichtungskammern 16a, 16b passiert.
In Fig. 2 bis Fig. 8 sind verschiedene Zustände eines Verdichtungszyklus einer Verdrängermaschine 10 schematisch dargestellt. Im nachfolgenden sind die Relativpositionen der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 zueinander als Momentaufnahmen mit Blick auf die Geometrie der jeweiligen Bauteile beschrieben. Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verdichtungszyklus mit einer Verdrängerspirale 13 und einer Gegenspirale 14, die miteinander in Eingriff stehen, bei einem Drehwinkel von 0°.
Bei dem Drehwinkel 0° beginnt der Verdichtungszyklus der Verdrängermaschine 10. Der Drehwinkel 0° beschreibt den Zustand, bei dem eine der wenigstens zwei
Verdichtungskammern 16a, 16b geschlossen ist. Es ist möglich, dass bei 0° beide Verdichtungskammern geschlossen sind.
Eine Verdichtungskammer ist geschlossen, wenn die Verdichtungskammer fluiddicht von der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 umschlossen ist. Die erste Verdichtungkammer 16a ist noch geöffnet. Die zweite
Verdichtungskammer 16b ist geschlossen. Die Verdichtungskammern 16a, 16b sind im radial äußeren Bereich der Spiralen 13, 14 angeordnet. Im radial inneren Bereich der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 sind zwei weitere erste und zweite Verdichtungskammern 16c, 16d eines vorangegangenen Verdichtungszyklus ausgebildet. Das relative Volumen der Verdichtungskammern 16a, 16b ist größer als das relative Volumen der Verdichtungskammern 16c, 16d.
Im Bereich des Zentrums der Anordnung der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 ist eine innere Verdichtungskammer 23 angeordnet. Die innere Verdichtungskammer 23 ist aus zwei miteinander vereinigten Verdichtungskammern gebildet.
Zusätzlich sind zwischen der Auslassöffnung 22 und dem radial äußeren Bereich der Gegenspirale 14 zwei sekundäre Auslassöffnungen 22a, 22b bzw. Vorauslassöffnungen angeordnet. Die sekundären Auslassöffnungen 22a, 22b weisen jeweils unterschiedliche radiale Abstände vom Zentrum der Gegenspirale 14 auf.
In der Verdrängerspirale 13 ist die Durchgangsöffnung 17 mit der Steuergeometrie 19 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind von einem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verdeckt. Die Durchgangsöffnung 17 ist daher verschlossen. Fig. 3 zeigt eine Momentaufnahme des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel der Verdrängerspirale 13 von 60°. In Fig. 3 sind beide Verdichtungskammern 16a, 16b geschlossen. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b in Fig. 3 sind kleiner als die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b in Fig. 2.
Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind in der Verdichtungskammer 16d angeordnet. Anders gesagt ist die Durchgangsöffnung 17 nicht von einem Spiralenabschnitt 18 verdeckt bzw. verschlossen.
Fig. 4 zeigt eine Ansicht des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 160°. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b sind geringer als in den vorhergehend beschriebenen Figuren.
Die Durchgangsöffnung 17 ist von einem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verdeckt. Die Steuergeometrie 19 ragt teilweise in die erste Verdichtungskammer 16a hinein. Die Durchgangsöffnung 17 ist daher mit der ersten Verdichtungskammer 16a fluidverbunden.
Die Verdichtungskammern 16c, 16d haben sich zu der inneren Verdichtungskammer 23 vereint.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 300°. Die relativen Volumina der ersten und zweiten Verdichtungskammern 16a, 16b haben sich weiter verringert. Im radial äußeren Bereich der beiden Spiralen beginnen sich neue Verdichtungskammern 16e, 16f zu bilden.
Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet.
Fig. 6 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 400°. Im radial äußeren Bereich der Verdrängerspiralen 13, 14 haben sich zwei neue Verdichtungskammern 16e, 16f gebildet. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b haben sich weiter verringert. Die Durchgangsöffnung 17 und ein Abschnitt der Steuergeometrie 19 sind in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Ein Teil der Steuergeometrie 19 ist von dem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verdeckt. Die Auslassöffnung 22 ist teilweise in der inneren Verdichtungskammer 23 und in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet.
Fig. 7 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 460°. Die relativen Volumina der ersten und zweiten Verdichtungskammer 16a, 16b haben sich weiter verringert. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Die Auslassöffnung 22 ist in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Die Auslassöffnung 22 ist teilweise von der Verdrängerspirale 13 überdeckt.
Fig. 8 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel der Verdrängerspirale 13 von 560°. Die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b haben sich zu einer inneren Verdichtungskammer 23 vereint. Die Auslassöffnung 22 ist vollständig in der inneren Verdichtungskammer 23 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der neu gebildeten ersten Verdichtungskammer 16e angeordnet.
Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch die Verdrängerspirale 13 im Bereich der Durchgangsöffnung 17 und der Steuergeometrie 19. Die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich geradlinig. Die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich orthogonal zur Oberfläche der Verdrängerspirale 13. Unter der Oberfläche ist hier die Oberfläche zu verstehen, die der Gegenspirale 14 zugewandt ist.
Die Steuergeometrie 19 ist in der Oberfläche der Verdrängerspirale 13 angeordnet. Anders gesagt umfasst die Steuergeometrie 19 eine Vertiefung. Als Ausführungsformen der Steuergeometrie 19 ist beispielsweise eine Einkerbung oder eine Einfräsung möglich. Es ist möglich, dass die Steuergeometrie 19 einen Spalt umfasst, wobei der Spalt in Richtung der Gegenspirale 14 offen und in Richtung der Verdrängerspirale 13 geschlossen ist. Die Steuergeometrie 19 verläuft entlang einer radialen Richtung der Verdrängerspirale 13. Es sind andere Ausrichtungen und Geometrien für die Steuergeometrie denkbar. So ist es auch möglich, dass die Steuergeometrie 19 nicht gerade verläuft.
Die Fig. 10 und Fig. 11 zeigen jeweils Schnitte durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Verdrängermaschine 10. Die Verdrängermaschine 10 umfasst ein Gehäuse 24. Das Gehäuse 24 weist eine zylindrische Form auf. In dem Gehäuse 24 ist ein Antrieb 25 angeordnet. Als Antrieb 25 ist beispielsweise ein Elektromotor oder ein mechanischer Antrieb 25 denkbar. Der Antrieb 25 ist mit einer Welle 26 verbunden und treibt die Welle 26 an.
Die Welle 26 erstreckt sich in eine Längsrichtung des Gehäuses 24. An einem axialen Ende der Welle 26 ist ein Exzenterlager 27 mit einem Exzenterstift angeordnet. Durch das Exzenterlager 27 ist die Verdrängerspirale 13 mit der Welle 26 verbunden. Auf der dem Exzenterlager 27 abgewandten Seite der Verdrängerspirale 13 ist im Gehäuse 24 die Gegenspirale 14 angeordnet. Die Gegenspirale 14 ist fest und unbeweglich im Gehäuse 24 der Verdrängermaschine 10 angeordnet. Es ist möglich, dass die Gegenspirale 14 mit dem Gehäuse 24 einteilig ausgebildet ist.
Auf der der Gegenspirale 14 abgewandten Seite der Verdrängerspirale 13 ist eine Niederdruckkammer 12 angeordnet. Zwischen der Niederdruckkammer 12 und der Verdrängerspirale 13 ist eine Gegendruckkammer 15 angeordnet.
Die Verdrängerspirale 13 ist in eine Richtung parallel zur Längsrichtung der Welle 26 beweglich im Gehäuse 24 angeordnet. Mit anderen Worten ist die Verdrängerspirale 13 in Richtung der Gegenspirale 14 und von der Gegenspirale 14 weg verschiebbar. Im Boden der Verdrängerspirale 13 ist die
Durchgangsöffnung 17 angeordnet. Durch die Durchgangsöffnung 17 ist es möglich, im Betrieb die Verdichtungskammern 16 mit der Gegendruckkammer 15 fluidleitend zu verbinden.
Auf der der Verdrängerspirale 13 abgewandten Seite der Gegenspirale 14 ist eine Hochdruckkammer 11 angeordnet.
Durch die ineinander greifenden Spiralen 13, 14 sind die Verdichtungskammern 16 gebildet. Anders gesagt sind die Verdichtungskammern 16 von den Spiralenabschnitten 18 der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 begrenzt. Das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Kühlmittel, wird zu Beginn eines Verdichtungszyklus in einem radial äußeren Bereich der Spiralen 13, 14 angesaugt. Das Arbeitsmedium wird in den Verdichtungskammern 16a, 16b zwischen der Verdrängerspirale 13 und der Gegenspirale 14 transportiert.
Im Betrieb entsteht durch die Rotation der Welle 26 und der exzentrischen Verbindung der Verdrängerspirale 13 mit der Welle 26 die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale 13.
Durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale 13 verringern sich die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16. Die Verdichtungskammern 16 sind temporär. Die Verdichtungskammern 16 bilden sich kontinuierlich im äußeren radialen Bereich der Spiralenanordnung immer wieder neu und wandern anschließend ins radial Innere der Spiralenanordnung und lösen sich im radial Inneren der Spiralenanordnung auf. Der Bewegungspfad der Verdichtungskammern 16 ist spiralförmig. In dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 bis 8 dargestellt ist, sind bis zu fünf Verdichtungskammern 16, 23 möglich.
Dabei handelt es sich um jeweils zwei Paare mit ersten und zweiten Verdichtungskammern 16 und eine innere Verdichtungskammer 23. Es sind ferner Konfigurationen möglich, die mehr oder weniger Verdichtungskammern 16, 23 umfassen.
Die Durchgangsöffnung 17 bildet in einem Winkelbereich des Drehwinkels zwischen 147° bis 367° eine Fluidverbindung zwischen der ersten Verdichtungskammer 16a und der Gegendruckkammer 15. Zwischen dem Winkelbereich des Drehwinkels zwischen 376° und 504° bildet die Durchgangsöffnung 17 eine Fluidverbindung mit der zweiten Verdichtungskammer 16b und der Gegendruckkammer 15. In dem Winkelbereich des Drehwinkels zwischen 367° und 376° ist die Durchgangsöffnung 17 von einem Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 verschlossen.
Die Durchgangsöffnung 17 ist zunächst in der ersten Verdichtungskammer 16a und anschließend in der zweiten Verdichtungskammer 16b eines Verdichtungszyklus angeordnet. Die Durchgangsöffnung 17 ist pro Verdichtungszyklus jeweils einmal in einer der Verdichtungskammern 16a, 16b angeordnet. Nach der zweiten Verdichtungskammer 16b wandert die Durchgangsöffnung 17 zur ersten Verdichtungskammer 16c, des darauffolgenden Verdichtungszyklus.
Durch die Durchgangsöffnung 17 strömt ein Teil des Arbeitsmediums in die Gegendruckkammer 15. Dadurch erhöht sich der Druck in der Gegendruckkammer 15. Durch den Druck wird die Verdrängerspirale 13 mit einer Kraft in axialer Richtung beaufschlagt. Die Kraft wirkt in Richtung der Gegenspirale 14. Da die Verdrängerspirale 13 in axialer Richtung beweglich ist, wird diese an die Gegenspirale 14 angepresst. Das Anpressen der Verdrängerspirale 13 an die Gegenspirale 14 bewirkt ein Verdichten des Arbeitsmediums mit möglichst geringen Leistungseinbußen.
Die Steuergeometrie 19 bildet im Betrieb mit einer der Verdrängerspirale zugewandten Seite der Gegenspirale 14 einen fluidleitenden Kanal. Dadurch ist es möglich, dass zwischen einer Verdichtungskammer 16 und der Gegendruckkammer 15 eine fluidleitende Verbindung gebildet ist, bevor die Durchgangsöffnung 17 in einer Verdichtungskammer 16 vollständig oder teilweise angeordnet ist.
Durch die Auslassöffnung 22 strömt das verdichtete Arbeitsmedium in die Hochdruckkammer 11. Durch die Hochdruckkammer 11 gelangt das Arbeitsmedium wieder in einen Arbeitskreislauf, insbesondere in einen Kühlkreislauf. Die sekundären Auslassöffnungen 22a, 22b sind im Betrieb durch die unterschiedlichen Abstände zum Mittelpunkt der Gegenspirale 14 in verschiedenen Druckbereichen der Verdrängermaschine 10 angeordnet.
Im Nachfolgenden wird ein Verdichtungszyklus anhand von Fig. 2 bis Fig. 8 erläutert. Dabei werden insbesondere die Verdichtungskammern 16a, 16b betrachtet.
Fig. 2 zeigt den Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 0°. Bei dem Drehwinkel von 0° ist eine der wenigstens zwei Verdichtungskammern 16a, 16b geschlossen. In Fig. 2 ist keine Fluidverbindung zwischen einer der Verdichtungskammern 16 und der Gegendruckkammer 15 gebildet, da die Durchgangsöffnung 17 mit der Steuergeometrie 19 von einem Spiralenabschnitt 18 vollständig verdeckt ist. Bei einem Drehwinkel von 60° (vgl. Fig. 3) sind die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b geschlossen. Die relativen Volumina der Verdichtungskammern 16a, 16b verringern sich mit wachsendem Drehwinkel. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 bewegen sich auf einer Kreisbahn.
Bei einem Drehwinkel von 160° (vgl. Fig. 4) ist die Durchgangsöffnung 17 weiter gewandert. Die Durchgangsöffnung 17 ist von dem Spiralenabschnitt 18 verdeckt, der die erste Verdichtungskammer 16a und die zweite Verdichtungskammer 16b trennt. Die Durchgangsöffnung 17 ist nicht in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet.
Die Steuergeometrie 19 der Durchgangsöffnung 17 ist abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet. Die Steuergeometrie 19 und der Spiralenabschnitt 18 begrenzen einen Kanal. Durch den Kanal ist die Gegendruckkammer 15 mit der ersten Verdichtungskammer 16a fluidleitend verbunden.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Drehwinkel von 300° ist die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 vollständig in der ersten Verdichtungskammer 16a angeordnet. Das Arbeitsmedium kann unmittelbar durch die Durchgangsöffnung 17 in die Gegendruckkammer 15 strömen.
Der Druck in der ersten Verdichtungskammer 16a ist in Fig. 5 höher als in der ersten Verdichtungskammer 16a in Fig. 4. Der Druck in den Verdichtungskammern 16a, 16b steigt mit der Verkleinerung der relativen Volumina.
Fig. 6 zeigt, dass bei einem Drehwinkel von 400° die Durchgangsöffnung 17 in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 haben den Spiralenabschnitt 18 der Gegenspirale 14 passiert. Während dem Passieren des Spiralenabschnitts 18 ist die Durchgangsöffnung 17 von dem Spiralenabschnitt 18 verschlossen.
Die Zeitspanne, in der die Gegendruckkammer 15 mit keiner Verdichtungskammer 16 verbunden ist, reicht nicht aus, damit der Druck in der Gegendruckkammer sinkt, so dass die Verdrängerspirale 13 nicht mehr fluiddicht an die Gegenspirale 14 angepresst ist.
In Fig. 7 ist der Zustand des Verdichtungszyklus bei einem Drehwinkel von 460° dargestellt. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind vollständig in der zweiten Verdichtungskammer 16b angeordnet. Die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b stehen kurz davor sich zu vereinigen und die innere Verdichtungskammer 23 zu bilden. In Fig. 7 ist zu erkennen, dass zeitgleich zu dem laufenden Verdichtungszyklus ein neuer Verdichtungszyklus beginnt. Bei einem Drehwinkel von 560° (vgl. Fig. 8) haben sich die erste und zweite
Verdichtungskammer 16a, 16b zur inneren Verdichtungskammer 23 vereinigt. Die Durchgangsöffnung 17 und die Steuergeometrie 19 sind in einer nachfolgenden ersten Verdichtungskammer 16e des neuen Verdichtungszyklus angeordnet.
Es ist möglich, dass mehrere Verdichtungszyklen parallel stattfinden. Die erste und zweite Verdichtungskammer 16a, 16b und die erste und zweite
Verdichtungskammer 16c, 16d sind unterschiedlichen Verdichtungszyklen zugeordnet. Mit anderen Worten umfasst jeder Verdichtungszyklus ein Paar einer ersten und zweiten Verdichtungskammer 16a, 16b.
Bezugszeichenliste
10 Verdrängermaschine
11 Hochdruckkammer
12 Niederdruckkammer
13 Verdrängerspirale
14 Gegenspirale
15 Gegendruckkammer
16a erste Verdichtungskammer
16b zweite Verdichtungskammer
16c erste Verdichtungskammer
16d zweite Verdichtungskammer
16e erste Verdichtungskammer
16f zweite Verdichtungskammer
17 Durchgangsöffnung
18 Spiralenabschnitt
19 Steuergeometrie
20a radial innere Spiralenwand
20b radial äußere Spiralenwand
21 Fase
22 Auslassöffnung
22a sekundäre Auslassöffnung
22b sekundäre Auslassöffnung
23 innere Verdichtungskammer
24 Gehäuse
25 Antrieb
26 Welle
27 Exzenterlager

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter, mit einer Hochdruckkammer (11), einer Niederdruckkammer (12), einer orbitierenden Verdrängerspirale (13), einer Gegenspirale (14) und einer Gegendruckkammer (15), die zwischen der Niederdruckkammer (12) und der Verdrängerspirale (13) angeordnet ist, wobei die Verdrängerspirale (13) in die Gegenspirale (14) eingreift derart, dass im Betrieb temporär wenigstens eine erste und eine zweite Verdichtungskammer (16a, 16b) zur Aufnahme eines Arbeitsmediums gebildet sind und wobei die Verdrängerspirale (13) wenigstens eine Durchgangsöffnung (17) zur Fluidverbindung mit der Gegendruckkammer (15) aufweist, dad u rch geken nzeich net, dass die Durchgangsöffnung (17) in der Verdrängerspirale (13) angeordnet ist derart, dass im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale (13) die Durchgangsöffnung (17) temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer (16a) und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer (16b) angeordnet ist.
2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dad u rch geken nzeich net, dass die Gegenspirale (14) Spiralenabschnitte (18) umfasst, wobei die Durchgangsöffnung (17) beim Wechseln von der ersten Verdichtungskammer (16a) zur zweiten Verdichtungskammer (16b) wenigstens einen Spiralenabschnitt (18) passiert, der zwischen zwei in radialer Richtung aneinander angrenzenden Verdichtungskammern (16a, 16b) angeordnet ist.
3. Verdrängerspirale nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzeich net, dass die Durchgangsöffnung (17) in einem Abschnitt des Bodens der Verdrängerspirale (13) angeordnet ist.
4. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Durchgangsöffnung (17) einen kreisförmigen, elliptischen oder eiförmigen Querschnitt aufweist.
5. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die erste Verdichtungskammer (16a) in einem Winkelbereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale (13) von 120° bis 400°, insbesondere von 247° bis 367°, mit der Gegendruckkammer (15) fluidleitend verbunden ist.
6. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die zweite Verdichtungskammer (16b) in einem Winkelbereich des Drehwinkels der orbitierenden Verdrängerspirale (13) von 270° bis 550°, insbesondere 376° bis 504°, mit der Gegendruckkammer (15) fluidleitend verbunden ist.
7. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die erste Verdichtungskammer (16a) bei einem relativen Volumen von 84% bis 40%, insbesondere von 80% bis 46%, mit der Gegendruckkammer (15) fluidverbunden ist.
8. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die zweite Verdichtungskammer (16b) bei einem relativen Volumen von 61% bis 19%, insbesondere von 44% bis 24%, mit der Gegendruckkammer (15) fluidverbunden ist.
9. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dad u rch geken nzeich net, dass die Durchgangsöffnung (17) beim Passieren des Spiralenabschnitts (18) beim Wechseln von der ersten zu der zweiten Verdichtungskammer (16a, 16b) oder umgekehrt, für einen Winkelbereich des Drehwinkels von 5° bis 20° verschlossen ist.
10. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Durchgangsöffnung (17) eine Steuergeometrie (19) aufweist, die in der Oberfläche der Verdrängerspirale (13) angeordnet ist, die der Gegenspirale (14) zugewandt ist.
11. Verdrängermaschine nach Anspruch 10, dad u rch geken nzeich net, dass die Steuergeometrie (19) eine Vertiefung und/oder eine Einkerbung aufweist.
12. Verdrängermaschine nach Anspruch 10 oder 11, dad u rch geken nzeich net, dass die Spiralenabschnitte (18) der Gegenspirale (14) eine radial innere Spiralenwand (20a) und eine radial äußere Spiralenwand (20b) aufweisen, wobei die Steuergeometrie (19) und/oder die Durchgangsöffnung (17) im verschlossen Zustand zwischen den Spiralenwänden (20a, 20b) angeordnet ist.
13. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass die Verdrängerspirale (13) und/oder die Gegenspirale (14) wenigstens abschnittsweise eine Fase (21) aufweisen.
14. Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Durchgangsöffnung (17) im Betrieb durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale (13) temporär zumindest abschnittsweise in der ersten Verdichtungskammer (16a) und anschließend temporär zumindest abschnittsweise in der zweiten Verdichtungskammer (16b) angeordnet wird und die jeweilige Verdichtungskammer (16a, 16b) mit der Gegendruckkammer (15) fluidleitend verbindet.
15. Fahrzeugklimaanlage mit einer Verdrängermaschine, insbesondere mit einem Scrollverdichter, nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
16. Fahrzeug mit einer Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder einer Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 15.
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