DE102017102645B4

DE102017102645B4 - Kältemittel-Scrollverdichter für die Verwendung innerhalb einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102017102645B4
Application number: DE102017102645.2A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kozalla; Thomas Klotten
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2037-02-11
Also published as: KR20180092829A; KR101953616B1; DE102017102645A1

Abstract

Kältemittel-Scrollverdichter (1) für die Verwendung innerhalb einer Wärmepumpe mit COals Kältemittel, umfassend• ein Verdichtergehäuse (2),• zwei innerhalb des Verdichtergehäuses (2) ineinander verschachtelte Spiralen (3; 7), von denen eine Spirale (3) stationär ist und die andere Spirale (7) auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegbar ist, wodurch sich das Volumen von mehreren verschiedenen zwischen den Spiralen (3; 7) ausgebildeten Verdichtungskammern (8, 9, 10) zyklisch ändert, wobei die einzelnen Spiralen (3; 7) jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel im Bereich von 440° bis 900° aufweisen und zwischen den Spiralen (3; 7) die folgenden Verdichtungskammern (8, 9, 10) ausgebildet sind:➢eine Verdichtungskammer als Saugdruckkammer (8) für das Ansaugen von Kältemittel, die in eine innere Ansaugkammer (8.1) und eine äußere Ansaugkammer (8.2) aufgeteilt ist,➢eine mittlere Verdichtungskammer (9), die in eine innere mittlere Verdichtungskammer (9.1) und eine äußere mittlere Verdichtungskammer (9.2) aufgeteilt ist,➢eine Kältemittelaustrittskammer (10), in der sich die beiden inneren Endbereiche (3a; 7a) der Spiralen (3; 7) gegenüberliegen,• zwei oder mehrere Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) in einer zu den Spiralen (3; 7) stirnseitigen Wand (2a) des Verdichtergehäuses (2),• ein oder mehrere Ventile (6) für das Öffnen und Schließen der beiden Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) und• einen Kältemittel-Hauptauslass (5) in der zu den Spiralen (3; 7) stirnseitigen Wand (2a) des Verdichtergehäuses (2) im Zentrum der stationären Spirale (3), der stets geöffnet ist und kein Ventil aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittel-Scrollverdichter für die Verwendung innerhalb einer Wärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Kältemittel-Scrollverdichters in einem Kältemittelkreislauf mit CO₂ als Kältemittel, welcher im Klimaanlagenmodus und/oder im Wärmepumpenmodus betreibbar ist. Anwendungsgebiet der Erfindung sind insbesondere elektrische Kältemittelverdichter in Kraftfahrzeugen.
Der Begriff Scrollverdichter ist die in der Fachsprache übliche Bezeichnung für einen Verdichtertyp, der unter anderem auch unter den Bezeichnungen Getriebeschnecken-Verdichter, Spiral-Verdichter oder Spiral-Kompressor bekannt ist. Ein Scrollverdichter arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Er besteht aus zwei ineinander verschachtelten Spiralen, von denen eine stationär ist und die andere auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegt wird. Dabei halten die Spiralen einen minimalen Abstand voneinander und bilden bei jeder Umdrehung ständig kleiner werdende Verdichtungskammern. Dadurch wird das zu pumpende Gas außen angesaugt, innerhalb des Scrollverichters in den Verdichtungskammern verdichtet und über einen Anschluss in der Spiralenmitte ausgestoßen.
Derzeit verwendete Kältemittel-Scrollverdichter für Klimaanlagen-Kältemittelkreisläufe sind ausgelegt, um mit einer hohen Wirksamkeit im Klimaanlagen-Modus zu arbeiten. Das Ziel besteht in einem möglichst geringen Energieverbrauch bei einem gleichzeitig hohen Kältemittelmassenstrom. Dies führt bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Geschwindigkeit zu geringen Austrittstemperaturen.
In einem Wärmepumpenkreislauf ist es notwendig, hohe Austrittstemperaturen zu erreichen, um den Fahrgastinnenraum zu heizen. Dabei ist ein Scrollverdichter erforderlich, der bei Hochdruckverhältnissen möglichst wirksam ist, um eine hohe Austrittstemperatur zu erreichen. Bei höheren Drücken geht die isentrope Wirksamkeit zurück, so dass die Verdichter weniger effizient arbeiten. Auch nimmt die Lagerbelastung zu.
Herkömmliche Scrollverdichter mit einem Umwicklungswinkel im Bereich von 440° bis 900° erfordern zwei Vorauslässe und einen Hauptauslass, um effizient zu arbeiten. Jeder Auslass wird mit einem Ventil geschlossen, nachdem der Druck in der Verdichtungskammer unter Hochdruck sinkt. Dies verhindert, dass heißes Gas zurück in die Verdichtungskammer strömt und der Verdichter an Wirksamkeit verliert. Dafür weisen Klimaanlagenverdichter in der Regel drei Auslassventile, sogenannte Dreifingerventile, auf.
Wenn ein Klimaanlagenverdichter derart ausgebildet ist, dass er unter Klimaanlagenbedingungen effizient arbeitet, ist dies oft mit dem Nachteil verbunden, dass dieser Verdichter unter Wärmepumpenbedingungen deutlich weniger effektiv ist. So ist es für einen Scrollverdichter, der im Wärmepumpenmodus betrieben wird und bei dem hohe Austrittstemperaturen benötigt werden, sehr vorteilhaft, dass heißes Gas in die Verdichtungskammer zurückströmt.
In der JP 2002-070765 A wird ein Scrollverdichter mit einem Bypass-Mechanismus beschrieben, der dazu dienen soll, eine Überdrückung in dem Scrollverdichter zu vermeiden. Der Mechanismus bedingt eine offene Spiralgeometrie mit einem großen Totraumvolumen in der Scollmitte. Wegen der offenen Scrollgeometrie in der Scrollmitte sind nur niedrige Verdichtungsverhältnisse erreichbar. Daher sind Hochdruckverhältnisse mit hohem Verdichtungsverhältnis, das heißt einem Verhältnis Hochdruck / Saugdruck > 3,7, für Wärmepumpenbedingungen nicht möglich.
Aus der DE 10 2014 211 123 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Drehverhinderungsrings eines Scrollverdichters offenbart, wobei der Drehverhinderungsring aus einem Metall gefertigt ist und in einem Drehverhinderungsmechanismus zum Verhindern der Drehung einer beweglichen Spirale um ihre eigene Achse vorgesehen ist. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte: Ziehen einer Stahlplatte durch Pressen, um einen ersten Zwischenkörper, der eine mit Boden versehene, zylindrische Form hat, zu fertigen; Stanzen des Bodens des ersten Zwischenkörpers, um einen zweiten Zwischenkörper zu fertigen; und Ringbilden des zweiten Zwischenkörpers. Darüber hinaus offenbart ist ein Drehverhinderungsmechanismus eines Scrollverdichters mit dem Drehverhinderungsring, der durch das genannte Verfahren zum Herstellen des Drehverhinderungsrings des Scrollverdichters gefertigt ist; und einem Stift, der in den Drehverhinderungsring eingesetzt und mit der Innenumfangsfläche des Drehverhinderungsrings in Gleitkontakt ist. Dabei wird in der Umfangsrichtung in der Innenumfangsfläche des Drehverhinderungsrings in dem Herstellungsprozess eine Stoßlinie ausgebildet, wobei die Außenumfangsfläche des Stifts in dessen Achsrichtung an einer Stelle eingesetzt ist, an der die Außenumfangsfläche des Stifts die Stoßlinie in dem Drehverhinderungsring überquert.
In der DE 603 00 376 T2 beschreibt einen Spiralverdichter, dessen elastisches Element bei relativ geringen Kosten hergestellt werden kann. Der Spiralverdichter enthält ein Gehäuse. Ein feststehendes Spiralelement ist in dem Gehäuse befestigt und hat eine feststehende Basisplatte und eine feststehende spiralförmige Wand, die sich von der feststehenden Basisplatte erstreckt. Das bewegliche Spiralelement ist in dem Gehäuse platziert und hat eine bewegliche Basisplatte und eine bewegliche spiralförmige Wand, die sich von der beweglichen Basisplatte erstreckt. Die bewegliche spiralförmige Wand ist mit der feststehenden spiralförmigen Wand in Anlage. Eine Verdichtungskammer ist zwischen der beweglichen spiralförmigen Wand und der feststehenden spiralförmigen Wand definiert. Die Verdichtungskammer wird allmählich im Volumen reduziert, da Kältemittel in der Verdichtungskammer allmählich verdichtet und durch eine Orbitalbewegung des beweglichen Spiralelements relativ zu dem feststehenden Spiralelement in Richtung auf eine mittlere Seite der spiralförmigen Wände bewegt wird. Ein elastisches Element ist in einer ringförmigen und ebenen Form ausgebildet und ist in dem Gehäuse auf einer Seite einer Rückfläche der beweglichen Basisplatte befestigt, um die Rückfläche der beweglichen Basisplatte in einem Gleitbereich des elastischen Elements gleitend zu kontaktieren. Eine Vorderwand ist auf einer Seite gegenüberliegend einer Seite des beweglichen Spiralelements mit Bezug auf das elastische Element vorgesehen. Ein erster Raum ist zwischen dem elastischen Element und der Vorderwand ausgebildet, um zu gestatten, dass das elastische Element elastisch verformt wird. Das elastische Element wird durch Druckkontakt des beweglichen Spiralelements in Richtung auf die Vorderwand elastisch verformt, wodurch das bewegliche Spiralelement in Richtung auf das feststehende Spiralelement gedrückt wird.
Die EP 2 618 000 B1 offenbart einen motorbetriebenen Kompressor mit einem Differenzdruckregelventil, das in einem Fluiddurchgang für Fluid angeordnet ist, welches durch einen Kompressor strömt. Das Differenzdruckregelventil ist ausgerüstet mit einer Ventilkammer, die in dem Fluiddurchgang ausgebildet ist und eine zylindrische Form aufweist; einem Ventilloch, das in dem Fluiddurchgang als eine Öffnung ausgebildet ist, die mit der Ventilkammer in Verbindung steht; einem Ventilkörper, der in der Ventilkammer angeordnet ist und angepasst ist, das Ventilloch zu öffnen und zu schließen; einem Stützelement, das fest an der Ventilkammer montiert ist und sich quer zu einer Strömungsrichtung des Fluids in der Ventilkammer erstreckt, wobei das Stützelement einen Verbindungsdurchgang für eine Fluidverbindung zwischen einer ersten Ventilkammer, die auf der Seite des Ventilkörpers des Stützelements in dem Ventilkörper ausgebildet ist, und einer zweiten Ventilkammer aufweist, die auf der gegenüberliegenden Seite des Stützelements in der Ventilkammer ausgebildet ist, wobei zumindest ein Teil des Verbindungsdurchgangs in gleichmäßig beabstandeten Intervallen zu der äußeren Umgebung des Stützelements auf der Seite der ersten Ventilkammer geöffnet ist; und einem Treibelement, das zwischen dem Stützelement und der Ventilkammer zum Treiben des Ventilkörpers in Richtung des Ventillochs angeordnet ist, wobei das Treibelement verlängerbar ist. Das Stützelement weist einen Vorsprung auf, der sich in der gleichen Richtung wie die Verlängerungs- und Zusammendrückrichtung des Treibelements erstreckt und mit dem der Ventilkörper in Kontakt treten kann, wenn das Treibelement zusammengedrückt wird, wobei der Verbindungsdurchgang eine Öffnung bei der Mitte eines Kontaktabschnitts des Vorsprungs, mit dem der Ventilkörper in Kontakt treten kann, und eine Vielzahl von Aussparungen aufweist, die sich radial zu dem Vorsprung von der Öffnung erstrecken.
Aus der EP 2 218 914 A2 ist eine Fluidmaschine vom Scroll-Typ bekannt, umfassend: eine feststehende Spirale und eine bewegliche Spirale, die miteinander in Eingriff stehen; einen Antidrehmechanismus zum Verhindern der Drehung der beweglichen Spirale um ihre eigene Achse; und einen Antriebsmechanismus zum Antreiben der beweglichen Spirale in einer Orbitalbewegung relativ zu der feststehenden Spirale. Dabei umfasst der Antriebsmechanismus Folgendes: eine Antriebswelle, die auf einer ersten Achse drehbar ist; einen Exzenterbolzen, der sich mit der Drehung der Antriebswelle um die erste Achse dreht, wobei der Exzenterbolzen eine Außenumfangsfläche aufweist, die auf einer zweiten Achse zentriert ist, welche parallel zu und exzentrisch zur ersten Achse ist; und ein Lager, das an der beweglichen Spirale angebracht ist, wobei das Lager eine Innenumfangsfläche aufweist, die auf einer dritten Achse zentriert ist, die parallel und exzentrisch zu der ersten und zweiten Achse ist, wobei die Innenumfangsfläche mit der Außenumfangsfläche des Exzenterbolzens in Kontakt steht, wobei aufgrund der Anordnung der ersten, zweiten und dritten Achse eine Druckkraft vom Exzenterbolzen auf das Lager ausgeübt wird, um die bewegliche Spirale auf die feste Spirale zu drücken.
In der EP 2 012 016 A1 ist eine Fluidmaschine vom Scroll-Typ mit einer beweglichen Spirale beschrieben, welche Druckkammern zwischen der beweglichen Spirale und einer festen Spirale aufweist und in Bezug auf die feste Spirale umlaufend ist. Des Weiteren weist die Fluidmaschine eine Stützwand auf, die für das Gehäuse vorgesehen ist und die Schublast stützt, welche von der beweglichen Spirale übertragen wird. Darüber hinaus umfasst die Fluidmaschine ein Axiallager, welches zwischen der beweglichen Spirale und der Stützwand platziert ist. Das Axiallager enthält eine in der Stützwand ausgebildete ringförmige Stützfläche, eine an der Stützfläche befestigte Halteplatte, ein in der Halteplatte ausgebildetes Halteloch, das in beiden Seiten der Halteplatte geöffnet ist, und ein Druckaufnahmestück, das in dem Halteloch gehalten und in Oberflächenkontakt sowohl mit der Stützfläche als auch mit der beweglichen Spirale gebracht wird.
In der EP 1 464 840 A1 ist ein Spiralkompressor offenbart, der eine Saugkammer, eine stationäre Spirale und eine bewegliche Spirale aufweist. Die stationäre Spirale enthält eine Umfangswand und einen stationären Spiralabschnitt. Die bewegliche Spirale hat eine bewegliche Grundplatte und einen beweglichen Spiralabschnitt. Eine Umfangsfläche der beweglichen Grundplatte und eine Innenfläche der Umfangswand bilden einen Dichtungsabschnitt an Abschnitten, die nahe beieinander mit einem engen Abstand angeordnet sind. Der Dichtungsabschnitt bewegt sich entlang der Innenfläche der Umfangswand, wenn sich die bewegliche Spirale dreht. In einem Bodenabschnitt einer Saugkammer wird Schmieröl einer Kompressionskammer zugeführt, die durch die Spiralabschnitte der Saugkammer definiert ist. Somit kann Schmieröl genutzt werden, das im Boden der Saugkammer zurückgehalten wird
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Scrollverdichter bereitzustellen, der sowohl im Wärmepumpen- als auch im Klimaanlagenmodus eine hohe Wirksamkeit aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen Kältemittel-Scrollverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Kältemittel-Scrollverdichter ist für die Verwendung innerhalb einer Wärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel geeignet. Kältemittel-Scrollverdichter für die Verwendung innerhalb einer Wärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel, umfassend

• ein Verdichtergehäuse,
• zwei innerhalb des Verdichtergehäuses ineinander verschachtelte Spiralen, von denen eine Spirale stationär ist und die andere Spirale auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegbar ist, wodurch sich das Volumen von mehreren verschiedenen zwischen den Spiralen ausgebildeten Verdichtungskammern zyklisch ändert, wobei die einzelnen Spiralen jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel im Bereich von 440° bis 900°, vorzugsweise 580° bis 700°, aufweisen und zwischen den Spiralen die folgenden Verdichtungskammern ausgebildet sind:
- ➢eine Verdichtungskammer als Saugdruckkammer für das Ansaugen von Kältemittel, die in eine innere Ansaugkammer und eine äußere Ansaugkammer, je nach Position der jeweiligen Ansaugkammer bezüglich der beweglichen Spirale, aufgeteilt ist,
- ➢eine mit der Saugdruckkammer verbundene mittlere Verdichtungskammer, die in eine innere mittlere Verdichtungskammer und eine äußere mittlere Verdichtungskammer, je nach Position der jeweiligen Verdichtungskammer bezüglich der beweglichen Spirale, aufgeteilt ist,
- ➢eine Kältemittelaustrittskammer, die mit der mindestens einen mittleren Verdichtungskammer verbunden ist und in der sich die beiden inneren Endbereiche der Spiralen gegenüberliegen,
• zwei oder mehrere Kältemittel-Vorauslässe in einer zu den Spiralen stirnseitigen Wand des Verdichtergehäuses,
• ein oder mehrere Vorauslassventile für das Öffnen und Schließen der beiden Kältemittel-Vorauslässe, und
• einen Kältemittel-Hauptauslass in der zu den Spiralen stirnseitigen Wand des Verdichtergehäuses am Zentrum der stationären Spirale, der stets geöffnet ist und kein Ventil aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des oben genannten Kältemittel-Scrollverdichters in einem Kältemittelkreislauf mit CO₂ als Kältemittel, welcher im Klimaanlagenmodus und/oder im Wärmepumpenmodus betreibbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kältemittel-Scrollverdichters wird unter Klimaanlagenbedingungen Hochdruck erreicht, noch bevor das Kältemittel durch die Hauptauslassöffnung austreten kann. Daher ist kein Ventil am Kältemittel-Hauptauslass erforderlich. Insbesondere die Gestalt der Spiralen hat zur Folge, dass das Hauptauslass-Ventil verzichtbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die einzelnen Spiralen jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel von 660° auf. Vorzugsweise sind die Spiralen hinsichtlich ihrer Spiralgeometrie derart ausgebildet, dass sie eine Verringerung des Volumens der Kältemittelaustrittskammer auf ein Totraumvolumen, das ≤ 9 % vom Ansaugvolumen beziehungsweise Hubvolumen des Scrollverdichters beträgt, ermöglichen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Spiralen hinsichtlich ihrer Spiralgeometrie derart ausgebildet, dass sie eine Verringerung des Volumens der Kältemittelaustrittskammer auf ein Totraumvolumen, das einem Volumen von ≤ 5,0 % vom Ansaugvolumen entspricht, beispielsweise auf 4,9 % vom Ansaugvolumen, ermöglichen. Bei einem Ansaugvolumen von 6 cm³ würde dies einem Totraumvolumen von etwa 0,3 cm³ entsprechen.
Im Wärmepumpenmodus bleiben die Kältemittel-Vorauslässe überwiegend geschlossen und das gesamte Kältemittel tritt durch den Kältemittel-Hauptauslass aus. Das Zurückströmen von der Hochdruckseite führt bei Niederdruckverhältnissen zu einer verschlechterten Verdichtung und hohen Austrittstem peratu ren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Bohrungen der Kältemittel-Vorauslässe und des Kältemittel-Hauptauslasses im Wesentlichen linear und in gleichen Abständen zueinander angeordnet, wobei der Hauptauslass in der Mitte und die Kältemittel-Vorauslässe symmetrisch dazu platziert sind. Die mittlere Verdichtungskammer ist in zwei mittlere Verdichtungsteilkammern aufgeteilt, die vorteilhafterweise symmetrisch zueinander positioniert sind. Es liegen dabei je nach Position bezüglich der beweglichen Spirale immer eine äußere und eine innere Verdichtungskammer vor. Das heißt, die äußere Verdichtungskammer grenzt an die konvexe Seite und die innere Verdichtungskammer an die konkave Seite der beweglichen Spirale. Die Bohrungen der Kältemittel-Vorauslässe befinden sich zumindest vorübergehend im Bereich der mittleren Verdichtungskammer, wobei sich mindestens eine Bohrung im Bereich der äußeren Verdichtungskammer und die gleiche Anzahl von Bohrungen im Bereich der inneren Verdichtungskammer befindet. Durch lineare, symmetrische Anordnung der Bohrungen der Kältemittelvorauslässe und des Hauptauslasses können die Vorauslassventile für die innere und äußere Verdichtungskammer beim gleichen Verdichtungsdruck zusammen öffnen oder schließen und eine Übergabe an den Kältemittel-Hauptauslass ist gewährleistet.
Als Ventil für das Öffnen und Schließen der beiden Kältemittel-Vorauslässe eignet sich insbesondere ein U-förmiges oder V-förmiges Ventil, mit dessen U- oder V-Schenkeln die Kältemittel-Vorauslässe geschlossenen werden können, während der geöffnete Kältemittel-Hauptauslass vorzugsweise zwischen den U- oder V-Schenkeln positioniert ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Verdichter im Wärmepumpenmodus bei Niederdruck und bei niedrigeren Verdichterdrehzahlen betrieben werden kann. Das führt zu einem verbesserten NVH-Wert, das heißt einer Verringerung der als Geräusch hörbaren oder als Vibration spürbaren Schwingungen im Fahrzeug, sowie einem niedrigeren Energieverbrauch und niedrigeren Lagerbelastungen, was zu einer längeren Lebensdauer des Lagers führt oder die Möglichkeit der Verringerung der Lagergröße eröffnet. Auch ist das benötigte Auslassventil preiswerter.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1A: einen Ausschnitt aus einem Scrollverdichter mit der stationären Spirale und Kältemittel-Auslassbohrungen in der zur Spirale stirnseitigen Wand des Scrollverdichter-Gehäuses als Innenansicht,
1B: die stirnseitige Wand des Scrollverdichter-Gehäuses mit den Kältemittel-Auslassbohrungen als Außenansicht,
2A: die stirnseitige Wand eines Scrollverdichter-Gehäuses mit drei Auslassbohrungen und einem Dreifingerventil, Stand der Technik,
2B: die stirnseitige Wand eines Scrollverdichter-Gehäuses mit drei Auslassbohrungen und einem Zweifingerventil,
3: eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen eines Scrollverdichters,
4A: eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen eines Scrollverdichters bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 0° /360°,
4B: eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen eines Scrollverdichters bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 90°,
4C: eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen eines Scrollverdichters bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 180°,
4D: eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen eines Scrollverdichters bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 270°,
5: eine grafische Darstellung des isentropen Drucks des Kältemittels in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbelwelle bei der isentropen Verdichtung im Kältemittel-Scrollverdichter im Klimaanlagenmodus,
6: eine grafische Darstellung des isentropen Drucks des Kältemittels in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbelwelle bei der isentropen Verdichtung im Scrollverdichter im Wärmepumpenmodus.

Die 1A zeigt einen Ausschnitt eines Scrollverdichters 1 mit einem Teil des Scrollverdichtergehäuses 2, an dem eine stationären Spirale 3 befestigt ist, als Innenansicht. Dabei ist dieser Teil eine zur stationären Spirale stirnseitige Wand 2a des Scrollverdichter-Gehäuses 2. Die stationäre Spirale 3 hat insgesamt einen Umwicklungswinkel von 660 °. Scrollverdichter mit einem Umwicklungswinkel im Bereich von 440° bis 900° erfordern zwei Vorauslässe 4.1; 4.2 und einen Hauptauslass 5, um effizient zu arbeiten. Gemäß 1A befinden sich zwei Vorauslässe 4.1; 4.2 in Form von Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 in der zu der stationären Spirale 3 stirnseitigen Wand 2a des Scrollverdichtergehäuses 2. Des Weiteren befindet sich ein Hauptauslass 5 in Form einer Hauptauslassbohrung 5 ebenfalls in der zur stationären Spirale 3 stirnseitigen Wand 2a des Verdichtergehäuses 2 im Zentrum der stationären Spirale 3 an deren inneren Endbereich 3a. Eine erste Vorauslassbohrung 4.1 ist dabei vor der Innenseite der Spirale 3 derart positioniert, dass die Vorauslassbohrung 4.1 die Hauptauslassbohrung 5 von der stationären Spirale 3 umschlossen sind, ohne dass eine Wand der stationären Spirale 3 zwischen der ersten Vorauslassbohrung 4.1 und der Hauptauslassbohrung 5 platziert ist. Die zweite Vorauslassbohrung 4.2 ist vor der Außenseite der stationären Spirale 3 derart positioniert, dass die Wand der stationären Spirale 3 zwischen der Hauptauslassbohrung 5 und der zweiten Vorauslassbohrung 4.2 platziert ist.
Die 1B zeigt eine Außenansicht des Scrollverdichters 1 mit Blick auf die stirnseitige Wand 2a des Scrollverdichter-Gehäuses 2 mit den Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 sowie der Hauptauslassbohrung 5. Dabei ist die Hauptauslassbohrung 5 im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 platziert, wobei die Hauptauslassbohrung 5 und die Vorauslassbohrung 4.1; 4.1 im Wesentlichen linear angeordnet sind.
Die 2A zeigt die stirnseitige Wand eines Scrollverdichter-Gehäuses mit drei Auslassbohrungen und einem Dreifingerventil, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Damit können alle Auslässe geschlossen werden, nachdem der Druck in der Verdichtungskammer unterhalb des Hochdruckbereichs sinkt. Damit soll verhindert werden, dass heißes Gas zurück in die Verdichtungskammer strömt und der Verdichter an Wirksamkeit verliert.
Die 2B zeigt eine Außenansicht eines Scrollverdichters 1 ähnlich wie in 1B, mit Blick auf die zu den Spiralen stirnseitige Wand 2a des Scrollverdichter-Gehäuses 2 mit den Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 sowie der Hauptauslassbohrung 5. Dabei ist die Hauptauslassbohrung 5 im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 platziert, wobei die Hauptauslassbohrung 5 und die Vorauslassbohrung 4.1; 4.1 im Wesentlichen linear angeordnet sind. Als Ventil für das Öffnen und Schließen der beiden Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 ist ein U-förmiges beziehungsweise V-förmiges Ventil 6 vorgesehen, mit dessen U- oder V-Schenkeln 6.1; 6.2 die Vorauslassbohrungen 4.1; 4.2 gleichzeitig verschlossenen werden können, während sich die Hauptauslassbohrung 5 geöffnet im freien Zwischenraum zwischen den U- beziehungsweise V-Schenkeln 6.1, 6.2 befindet. Dieses Ventil kann auch in Analogie zum Dreifingerventil als Zweifingerventil bezeichnet werden.
Die 3 zeigt schematisch einen Querschnitt des Scrollverdichters 1 mit der stationären Spirale 3 und einer beweglichen Spirale 7, die ineinander verschachteltet sind. Beide Spiralen weisen jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel von mit einem Gesamt-Umwicklungswinkel der Spiralen von 660° auf. Die bewegliche Spirale 7 ist auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegbar, wodurch sich das Volumen von mehreren verschiedenen, zwischen den Spiralen 3; 7 ausgebildeten Verdichtungskammern 8, 9, 10 zyklisch ändert. Weil der Gesamt-Umwicklungswinkel 660° ist, werden immer drei verschiedene Arten von Verdichtungskammern ausgebildet. Wie aus der 3 erkennbar, werden folgende Verdichtungskammern gebildet:

➢eine nach außen geöffnete/öffenbare Verdichtungskammer als Saugdruckkammer 8 für das Ansaugen von Kältemittel, die in eine innere Ansaugkammer 8.1 und eine äußere Ansaugkammer 8.2, je nach Position der jeweiligen Ansaugkammer 8.1, 8.2 bezüglich der beweglichen Spirale, aufgeteilt ist,
➢eine mit der Saugdruckkammer 8 verbundene mittlere Verdichtungskammer 9, wobei je nach Position zur beweglichen Spirale immer eine innere mittlere Verdichtungskammer 9.1 und eine äußere mittlere Verdichtungskammer 9.2 vorliegt,
➢eine Kältemittelaustrittskammer 10, die mit der mittleren Verdichtungskammer 9 verbunden ist und in der sich die beiden inneren Endbereiche 3a; 7a der Spiralen 3; 7 gegenüberliegen.

Die 3 zeigt schematisch zwei Kältemittel-Vorauslässe 4.1; 4.2 in der zu den Spiralen 3; 7 stirnseitigen Wand des Verdichtergehäuses. Diese zwei Kältemittel-Vorauslässe 4.1; 4.2 sind durch ein oder mehrere Vorauslassventile verschließbar. Des Weiteren befindet sich, wie ebenfalls in der 3 gezeigt, ein Kältemittel-Hauptauslass 5 in der zu den Spiralen 3; 7 stirnseitigen Wand des Verdichtergehäuses im Zentrum der stationären Spirale 3, der stets geöffnet ist und kein Ventil aufweist.
Aufgrund des besonderen Kältemitteleigenschaften (CO₂) wird der notwendige Hochdruck unter allen Klimaanlagentestpunkten innerhalb der mittleren Verdichtungskammern 9.1, 9.2 bei 360 ° Rotationswinkel erreicht.
Die Spiralgeometrie, die sich unter anderem aus dem Umwicklungswinkel der Spiralen 3; 7 von jeweils 660° ergibt, führt dazu, dass das erreichbare Totvolumen bei einem Volumen liegt, das ≤ 9 %, vorzugsweise ≤ 5 %, vom Ansaugvolumen beziehungsweise Hubvolumen beträgt. Die 3 zeigt diese Position der maximalen Verdichtung der Kältemittelaustrittskammer 10 im Zentrum der Spiralen 3; 7.
Bei Werten für das Druckverhältnis von ≤ 3,7 zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck, der in den Ansaugkammern 8.1, 8.2 vorliegt, hat das fehlende Ventil am Hauptauslass 5 keinen negativen Effekt auf die Leistung des Scrollverdichters 1. Dies gilt für alle Klimaanlagenbedingungen.
Bei Druckverhältnissen von > 3,7 führt das fehlende Ventil am Hauptauslass 5 zu einem Rückfluss des Kältemittels in die Verdichtungskammer. Derartige Druckverhältnisse liegen unter Wärmepumpenbedingungen vor.
Die Figuren 4A bis 4D zeigen schematische Darstellungen der ineinander verschachtelten Spiralen 3; 7 eines Kältemittel-Scrollverdichters 1 im Klimaanlagenmodus bei verschiedenen Rotationswinkeln der Kurbelwelle, mit der die bewegliche Spirale 7 gekoppelt ist. Für den Klimaanlagenmodus liegt dabei das maximale Druckverhältnis von 3,7 zwischen dem Hochdruck in der Kältemittelaustrittskammer 10 und dem Niederdruck in den Ansaugkammern 8.1, 8.2 vor.
Die 4A zeigt eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen 3; 7 eines Kältemittel-Scrollverdichters 1 bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 0° beziehungsweise 360°. Dabei beträgt in den Ansaugkammern 8.1, 8.2 der Innendruck 35 bar. Der Innendruck beträgt sowohl in den mittleren Verdichtungskammern 9.1, 9.2 als auch in der Kältemittelaustrittskammer 10 jeweils 130 bar. Das heißt, der notwendige Hochdruck wird bei einem Rotationswinkel von 360° - unter allen Testbedingungen der Klimaanlage - bereits in den mittleren Verdichtungskammern 9.1, 9.2 erreicht. Daher kann der Hauptauslass 5 geöffnet bleiben und ein Ventil ist dafür nicht notwendig. Nur die beiden Kältemittel-Vorauslässe 4.1 und 4.2 werden mittels Vorauslassventilen geöffnet beziehungsweise verschlossen.
In der 4B sind ineinander verschachtelte Spiralen 3; 7 des Kältemittel-Scrollverdichters 1 bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 90° schematisch dargestellt. Der Innendruck der Ansaugkammern 8.1, 8.2 beträgt 35 bar. Der Innendruck der mittleren Verdichtungskammern 9.1, 9.2 liegt bei 45 bar. Der Druck in der Kältemittelaustrittskammer 10 beträgt 130 bar.
Die 4C zeigt eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen 3; 7 des Scrollverdichters 1 bei einem Rotationswinkel 180° der Kurbelwelle von 180°. Dabei beträgt der Innendruck der Ansaugkammern 8.1, 8.2 unverändert 35 bar, der Innendruck der mittleren Verdichtungskammern 9.1, 9.2 steigt auf 57 bar. Der Druck in der Kältemittelaustrittskammer 10 liegt - ebenfalls unverändert - bei 130 bar.
Die 4D enthält eine schematische Darstellung der ineinander verschachtelten Spiralen 3; 7 bei einem Rotationswinkel der Kurbelwelle von 270°. Der Innendruck der Ansaugkammern 8.1, 8.2 beträgt 35 bar. Der Innendruck der mittleren Verdichtungskammern 9.1, 9.2 ist auf 79 bar angestiegen. Der Druck in der Kältemittelaustrittskammer (DC) beträgt weiterhin 130 bar.
Wie aus den im Zusammenhang mit den Figuren 4A bis 4D genannten Werten ersichtlich ist, wird unter Klimaanlagenbedingungen Hochdruck erreicht, noch bevor das Kältemittel durch die Hauptauslassöffnung beziehungsweise Hauptauslassbohrung 5 austreten kann. Daher ist kein Ventil am Kältemittel-Hauptauslass erforderlich.
Die 5 zeigt eine den Figuren 4A bis 4D entsprechende grafische Darstellung des isentropen Drucks des Kältemittels in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbelwelle bei der isentropen Verdichtung im Kältemittel-Scrollverdichter im Klimaanlagenmodus. Der Druck des angesaugten Kältemittels liegt im Niederdruckbereich (LP) bei 35 bar. Das Kältemittel wird verdichtet und gelangt dabei in den Bereich der Vorauslassbohrungen. Der Druck des Kältemittels steigt gleichzeitig mit der Rotation der Kurbelwelle exponentiell an und erreicht schließlich Hochdruckniveau (HP), mit dem das Kältemittel dann auch in den Bereich der Hauptauslassbohrung gelangt.
Lediglich für die Vorauslassbohrungen sind mit Vorauslassventilen versehen, die die Vorauslässe öffnen und schließen. Obwohl es kein Hauptaustrittsventil gibt, tritt kein Zurückströmen des Kältemittels in die kombinierte innere Verdichtungskammer des Scrollverdichters aus dem Hochdruckbereich auf, weil sich die Verdichtungskammer und der Hohlraum hinter dem Kältemittel-Hauptauslass auf dem gleichen Druckniveau befinden. Der Kältemittel-Scrollverdichter hat im Klimaanlagenmodus niedrige Austrittstemperaturen.
Die 6 zeigt eine grafische Darstellung des isentropen Drucks des Kältemittels in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbelwelle bei der isentropen Verdichtung im Scrollverdichter im Wärmepumpenmodus.
Der Druck des angesaugten Kältemittels liegt zunächst im Niederdruckbereich bei 20 bar und damit wesentlich niedriger im Vergleich zum Klimaanlagenmodus. Das Kältemittel wird verdichtet und gelangt dabei zunächst in den Bereich der Vorauslassbohrungen. Der Druck des Kältemittels steigt gleichzeitig mit der Rotation der Kurbelwelle exponentiell an, liegt aber noch deutlich unterhalb des Hochdruckniveaus (HP), wenn es in den Bereich der Kältemittel-Auslassbohrung gelangt. Es erfolgt daher ein Zurückströmen des Kältemittels von der Hochdruckseite in die kombinierte innere Verdichtungskammer, weil der Hauptauslass immer geöffnet ist und die Verdichtungskammer ein niedrigeres Druckniveau hat als der Hohlraum hinter dem Kältemittel-Auslass. Das Zurückströmen des Kältemittels in die innere kombinierte Verdichtungskammer wird in 6 mittels senkrechter Pfeile schematisch angezeigt. Das Zurückströmen von heißem Kältemittelgas ist für den Wärmepumpenmodus vorteilhaft, in dem hohe Austrittstemperaturen des Scrollverdichter angestrebt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittel-Scrollverdichter
2: Verdichtergehäuse
2a: stirnseitige Wand des Verdichtergehäuses
3: stationäre Spirale
3a: innerer Endbereich der stationären Spirale
4.1: Kältemittel-Vorauslass, Vorauslassbohrung
4.2: Kältemittel-Vorauslass, Vorauslassbohrung
5: Kältemittel-Hauptauslass, Hauptauslassbohrung
6: Ventil, Vorauslassventil
6.1: erster Schenkel eines U- oder V-förmigen Ventils 6
6.2: zweiter Schenkel eines U- oder V-förmigen Ventils 6
7: bewegliche Spirale
7a: innerer Endbereich der beweglichen Spirale
8: Saugdruckkammer, Verdichtungskammer
8.1: innere Ansaugkammer
8.2: äußere Ansaugkammer
9: mittlere Verdichtungskammer
9.1: innere mittlere Verdichtungskammer
9.2: äußere mittlere Verdichtungskammer
10: Kältemittelaustrittskammer, Verdichtungskammer

Claims

Kältemittel-Scrollverdichter (1) für die Verwendung innerhalb einer Wärmepumpe mit CO₂ als Kältemittel, umfassend • ein Verdichtergehäuse (2), • zwei innerhalb des Verdichtergehäuses (2) ineinander verschachtelte Spiralen (3; 7), von denen eine Spirale (3) stationär ist und die andere Spirale (7) auf einer kreisförmigen Bahn exzentrisch bewegbar ist, wodurch sich das Volumen von mehreren verschiedenen zwischen den Spiralen (3; 7) ausgebildeten Verdichtungskammern (8, 9, 10) zyklisch ändert, wobei die einzelnen Spiralen (3; 7) jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel im Bereich von 440° bis 900° aufweisen und zwischen den Spiralen (3; 7) die folgenden Verdichtungskammern (8, 9, 10) ausgebildet sind: ➢eine Verdichtungskammer als Saugdruckkammer (8) für das Ansaugen von Kältemittel, die in eine innere Ansaugkammer (8.1) und eine äußere Ansaugkammer (8.2) aufgeteilt ist, ➢eine mittlere Verdichtungskammer (9), die in eine innere mittlere Verdichtungskammer (9.1) und eine äußere mittlere Verdichtungskammer (9.2) aufgeteilt ist, ➢eine Kältemittelaustrittskammer (10), in der sich die beiden inneren Endbereiche (3a; 7a) der Spiralen (3; 7) gegenüberliegen, • zwei oder mehrere Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) in einer zu den Spiralen (3; 7) stirnseitigen Wand (2a) des Verdichtergehäuses (2), • ein oder mehrere Ventile (6) für das Öffnen und Schließen der beiden Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) und • einen Kältemittel-Hauptauslass (5) in der zu den Spiralen (3; 7) stirnseitigen Wand (2a) des Verdichtergehäuses (2) im Zentrum der stationären Spirale (3), der stets geöffnet ist und kein Ventil aufweist.
Kältemittel-Scrollverdichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spiralen (3; 7) jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel im Bereich von 580° bis 700° aufweisen.
Kältemittel-Scrollverdichter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spiralen (3; 7) jeweils einen Gesamt-Umwicklungswinkel von 660° aufweisen.
Kältemittel-Scrollverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralen (3; 7) hinsichtlich ihrer Spiralgeometrie derart ausgebildet sind, dass sie eine Verringerung des Volumens der Kältemittelaustrittskammer auf ein Totraumvolumen, das ≤ 9 % vom Ansaugvolumen des Scrollverdichters (1) beträgt, ermöglichen.
Kältemittel-Scrollverdichter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralen hinsichtlich ihrer Spiralgeometrie derart ausgebildet sind, dass sie eine Verringerung des Volumens der Kältemittelaustrittskammer auf ein Totraumvolumen, das ≤ 5 % vom Ansaugvolumen des Scrollverdichters (1) beträgt, ermöglichen.
Kältemittel-Scrollverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventil für das Öffnen und Schließen der beiden Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) ein U-förmiges oder V-förmiges Ventil (6) vorgesehen ist, mit dessen U- oder V-Schenkeln (6.1; 6.2) die Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) geschlossenen werden können, während der geöffnete Kältemittel-Hauptauslass (5) zwischen den U- oder V-Schenkeln (6.1; 6.2) positioniert ist.
Verwendung eines Kältemittel-Scrollverdichters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Kältemittelkreislauf mit CO₂ als Kältemittel, welcher im Klimaanlagenmodus und/oder im Wärmepumpenmodus betreibbar ist.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf im Wärmepumpenmodus betrieben wird, wobei die Kältemittel-Vorauslässe (4.1; 4.2) überwiegend geschlossen bleiben.