DE102018124301A1

DE102018124301A1 - Scrollverdichter

Info

Publication number: DE102018124301A1
Application number: DE102018124301.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kozalla; Thomas Klotten; Torsten Gehm; Laura Arriazu
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2019-05-02
Also published as: CN111212978A; US20200277955A1; WO2019088523A1; KR102118617B1; CN111212978B; JP2021500503A; KR20190049458A; JP7028969B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scrollverdichter, aufweisend ein Gehäuse (9) mit einem Ansaugeinlass (10) und einem System-Auslass (11), ein in dem Gehäuse (9) fixiert angeordnetes erstes Scrollelement (13) mit einer an einer ersten Platte (14) ausbildeten Spirale (15), ein in dem Gehäuse (9) rotierbar angeordnetes zweites Scrollelement (1) mit einer an einer zweiten Platte (12) ausgebildeten zweiten Spirale (2), welche mit der ersten Spirale (15) in einem Winkel gedreht und radial versetzt angeordnet derart zusammengesteckt ist, dass die zweite Spirale (2) bei einer Rotation des zweiten Scrollelements (1) auf der ersten Spirale (15) unter Ausbildung einer Ansaugkammer (SC), einer Mittelkammer (MC) und einer Auslasskammer (DC) abrollbar ist, wobei in der ersten Platte (14) zwei exzentrisch angeordnete Vor-Auslässe (3), welche jeweils mit einem Ventil (16) absperrbar sind, und einem zentrisch angeordneten Haupt-Auslass (4) für ein über den Ansaugeinlass (10) zugeführtes Kältemittel ausgebildet sind, wobei der Scrollverdicherter dadurch gekennzeichnet ist, dass der Haupt-Auslass (4) in einen ein Totvolumen aufweisenden Auslasshohlraum (17) mündet, welcher zwischen dem Haupt-Auslass (4) und dem System-Auslass (11) gebildet ist und ein Auslassventil (18) in Richtung des System-Auslasses (11) aufweist, wobei an der Mündung des Haupt-Auslasses (4) in den Auslasshohlraum (17) kein Ventil (16) zum Absperren des Haupt-Auslasses (4) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scrollverdichter, der im Klimatisierungsbetrieb und im Wärmepumpenbetrieb effizient arbeitet.
Scrollverdichter für Kältekreisläufe von Klimaanlagen sind üblicherweise so ausgelegt, dass sie vornehmlich im Klimatisierungsbetrieb, das heißt im Kältebetrieb, effizient arbeiten. Ziel ist ein geringer Stromverbrauch bei maximaler Durchflussrate. Dies führt bei einem bestimmten Druckverhältnis und einer Geschwindigkeit zu niedrigen Auslasstemperaturen. In einem Wärmepumpenkreislauf ist es jedoch erforderlich, hohe Auslasstemperaturen zu erreichen, um das Kabineninnere zu erwärmen. Mit einem effizienten ScrollKompressor müssen daher hohe Druckverhältnisse erreicht werden, um eine hohe Auslasstemperatur zu erreichen. Bei höheren Druckverhältnissen sinkt jedoch der volumetrische Wirkungsgrad und die Kompressoren werden ineffizienter. Auch die Lagerlasten nehmen dabei zu.
Konventionelle Scroll-Kompressoren mit einem Umschlingungswinkel im Bereich von 440° bis 900° benötigen zwei Vor-Auslässe und einen Haupt-Auslass, um effizient arbeiten zu können. Jeder Auslass wird mit einem Ventil geschlossen, nachdem der Druck in einer Kompressionskammer unter den hohen Druck fällt. Dadurch wird vermieden, dass heißes Gas zurück in die Kompressionskammer strömt und der Kompressor ineffizient wird. Aus diesem Grund verfügen A/C-Kompressoren nach dem Stand der Technik über dreifache Auslassventile, dem sogenannten 3-Finger-Ventil. Für einen Scrollverdichter, der in einem Wärmepumpenkreislauf arbeitet, wobei hohe Abgastemperaturen erforderlich sind, wäre es vorteilhaft, dass heißes Gas zurück in die Kompressionskammer strömen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Kältemittel-Scrollverdichter vorzuschlagen, der sowohl im Klimatisierungsbetrieb (air condition) als auch im Wärmepumpenbetrieb effizient arbeitet.
Die Aufgabe wird durch einen Scrollverdichter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Lösung besteht darin, die Scroll-Geometrie so zu gestalten, dass bei allen A/C-Bedingungen der hohe Druck erreicht wird, bevor das Kältemittel über die Haupt-Auslassöffnung austreten kann. Daher ist am Haupt-Auslass kein Ventil erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass das Weglassen des Ventils am Haupt-Auslass, wodurch ein zusätzliches Totvolumen geschaffen wird, keinen negativen Einfluss auf die Leistung hat. Im Zustand der Wärmepumpe bleiben die Vor-Auslassventile geschlossen und das gesamte Kältemittel verlässt den Haupt-Auslass. Der Rückfluss von der Hochdruckseite führt zu einer schlechten Kompression und hohen Auslasstemperaturen bei niedrigen Druckverhältnissen.
Der erfindungsgemäße Scrollverdichter weist ein Gehäuse mit einem Ansaugeinlass und einem Systemauslass auf. In dem Gehäuse ist ein erstes Scrollelement mit einer an einer ersten Platte ausgebildeten Spirale fixiert angeordnet. Weiterhin umfasst das Gehäuse ein rotierbar angeordnetes zweites Scrollelement mit einer an einer zweiten Platte ausgebildeten zweiten Spirale, welche mit der ersten Spirale in einem Winkel gedreht und radial versetzt angeordnet derart zusammengesteckt ist, dass die zweite Spirale bei einer Rotation des zweiten Scrollelements auf der ersten Spirale unter Ausbildung einer Ansaugkammer, einer Mittelkammer und einer Auslasskammer abrollbar ist, wobei in der ersten Platte zwei exzentrisch angeordnete Vor-Auslässe, welche jeweils mit einem Ventil absperrbar sind, und einem zentrisch angeordneten Haupt-Auslass für ein über den Ansaugeinlass zugeführtes Kältemittel ausgebildet sind. Der Haupt-Auslass mündet in einen ein Totvolumen aufweisenden Auslasshohlraum, welcher zwischen dem Haupt-Auslass und dem System-Auslass gebildet ist und ein Auslassventil in Richtung des System-Auslasses aufweist. Dabei ist an der Mündung des Haupt-Auslasses in den Auslasshohlraum kein Ventil zum Absperren des Haupt-Auslasses vorgesehen. Das Auslassventil und der Auslasshohlraum können in dem Gehäuse mit einer Halterung befestigt sein.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Scrollverdichter, der auch als Scrollkompressor oder einfach als Kompressor bezeichnet werden kann, im Wärmepumpenmodus bei niedrigeren Drücken und geringeren Drehzahlen arbeiten kann. Dies führt zu einem besseren NVH, einem geringeren Energieverbrauch und einer geringeren Lagerbelastung. Vorteilhafterweise kann dadurch eine längere Lebensdauer von Lagern erreicht werden oder die Lagergröße kann reduziert werden. Ein wesentlicher Vorteil ist weiterhin, dass der erfindungsgemäße Scrollverdichter ein verbessertes NVH-Verhalten beim Herunterfahren aufweist.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters kann es vorgesehen sein, dass der gesamte Hohlraum des als rear head bezeichneten Gehäuseteils auf der Auslassseite des Scrollverdichters den Auslasshohlraum bildet, wobei das Volumen des Auslasshohlraums dem Totvolumen entspricht. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Hauptauslass und die zwei Vor-Auslässe in den Auslasshohlraum münden. Weiterhin kann der Auslasshohlraum mit einer Kuppel gebildet sein, die auslassseitig an der ersten Platte angeordnet ist und dabei den Hauptauslass und die zwei Vorauslässe überdeckt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters, bei der nur der Haupt-Auslass in den Auslasshohlraum mündet, ist der Auslasshohlraum mit einer Kuppel gebildet, die auslassseitig an der ersten Platte angeordnet ist und dabei den Haupt-Auslass überdeckt, wobei die zwei Vor-Auslässe in einen Zwischenraum münden, der zwischen dem Auslasshohlraum und dem System-Auslass gebildet ist. Zweckmäßigerweise kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Auslasshohlraum und dem System-Auslass ein Zwischenraum vorhanden ist. Dabei kann der Zwischenraum derart gebildet sein, dass die zwei Vor-Auslässe und der Auslass des Auslasshohlraums in den Zwischenraum münden.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Scrollverdichter einen Gesamtumschlingungswinkel von 660° aufweisen. Dadurch ist es möglich, dass zwischen den Spiralen der Scrollelemente jeweils eine Ansaugkammer, eine Mittelkammer und eine Auslasskammer gebildet sind. Dabei wird in der Mittelkammer unter allen Prüfpunkten stets der erforderliche Hochdruck erreicht, ohne dass der Haupt-Auslass mit einem Ventil abgesperrt ist. Nur die Vor-Auslässe öffnen und schließen.
Die Erfindung umfasst ferner eine Anwendung des vorstehend beschriebenen Scrollverdichters im Klimatisierungsbetrieb oder im Wärmepumpenbetrieb, wobei die Ventile der Vor-Auslässe im Klimatisierungsbetrieb zur Erzeugung von Kälte geöffnet und geschlossen werden, und wobei die Ventile der Vor-Auslässe im Wärmepumpenbetrieb zur Erzeugung von Wärme geschlossen bleiben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Scrollelements eines Scrollverdichters,
2: ein 3-Finger-Ventil nach dem Stand der Technik,
3: eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters,
4: eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters,
5: eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters,
6: eine erste schematische Darstellung zur Detailbeschreibung des Klimaanlagenmodus,
7: eine zweite schematische Darstellung zur Detailbeschreibung des Klimaanlagenmodus,
8: ein Diagramm der isotropen Verdichtung des Scrollverdichters zur Detailbeschreibung des Klimaanlagenmodus und
9: ein Diagramm der isotropen Verdichtung des Scrollverdichters zur Detailbeschreibung des Wärmepumpenmodus.

Wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 zeigt ein Scrollelement 13 in der Darstellung A mit Spirale 15, zwei Vor-Auslässen 3 und einem Haupt-Auslass 4. Die Darstellung B zeigt die auslassseitige Gestaltung des Scrollelements 13 mit den zwei Vor-Auslässen 3 und dem Haupt-Auslass 4.
Die 2 zeigt ein sogenanntes 3-Finger-Ventil 5, wie es nach dem Stand der Technik zum Absperren der zwei Vor-Auslässe 3 mit den Fingern beziehungsweise Blättern 6 und zum Absperren des Haupt-Auslasses 4 mit dem Hauptblatt beziehungsweise Mittelblatt 7 gebräuchlich ist. Das 3-Finger-Ventil ermöglicht ein gleichzeitiges Öffnen und Schließen der Vor-Auslässe 3 und des Haupt-Auslasses 4.
Nach der Konzeption des erfindungsgemäßen Scrollverdichters ist am Haupt-Auslass 4 kein Ventil vorgesehen, so dass der Haupt-Auslass 4 stets geöffnet ist, wobei der Haupt-Auslass 4 in einen Auslasshohlraum mündet.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters. Der erfindungsgemäße Scrollverdichter weist ein Gehäuse 9 mit einem Ansaugeinlass 10 und einem System-Auslass 11 auf. In dem Gehäuse 9 ist ein erstes Scrollelement 13 mit einer an einer ersten Platte 14 ausbildeten ersten Spirale 15 fixiert angeordnet. Weiterhin umfasst das Gehäuse 9 ein rotierbar angeordnetes zweites Scrollelement 1 mit einer an einer zweiten Platte 12 ausgebildeten zweiten Spirale 2, welche mit der ersten Spirale 15 in einem Winkel gedreht und radial versetzt angeordnet derart zusammengesteckt ist, dass die zweite Spirale 2 bei einer Rotation des zweiten Scrollelements 1 auf der ersten Spirale 15 unter Ausbildung einer Ansaugkammer SC, einer Mittelkammer MC und einer Auslasskammer DC (siehe 6 und 7) abrollbar ist, wobei in der ersten Platte 14 zwei exzentrisch angeordnete Vor-Auslässe 3, welche jeweils mit einem Ventil 16 absperrbar sind, und einem zentrisch angeordneten Haupt-Auslass 4 für ein über den Ansaugeinlass 10 zugeführtes Kältemittel ausgebildet sind. Der Haupt-Auslass 4 mündet in einen ein Totvolumen aufweisenden Auslasshohlraum 17, welcher zwischen dem Haupt-Auslass 4 und dem System-Auslass 11 gebildet ist und ein Auslassventil 18 in Richtung des System-Auslasses 11 aufweist. Dabei ist an der Mündung des Haupt-Auslasses 4 in den Auslasshohlraum 17 kein Ventil zum Absperren des Haupt-Auslasses 4 vorgesehen. Das Auslassventil 18 und der Auslasshohlraum 17 sind in dem Gehäuse 9 mit einer Halterung 19 befestigt. Bei dieser Ausführungsvariante münden die Vor-Auslässe 3 und der Haupt-Auslass 4 in den Auslasshohlraum 17.
Die 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters wie in 3, mit dem Unterschied, dass der Auslasshohlraum 17 mit einer Kuppel 8 gebildet ist, die nur den Haupt-Auslass 4 überdeckt, so dass die Vor-Auslässe 3 in einen Zwischenraum 20 münden, der zwischen der Kuppel 8 und dem System-Auslass 11 gebildet ist.
Die 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Scrollverdichters wie in 4, mit dem Unterschied, dass die Kuppel 8 derart ausgeführt ist, dass sie die Vor-Auslässe 3 und den Haupt-Auslass 4 überdeckt, so dass die Vor-Auslässe 3 und der Haupt-Auslass 4 in den Auslasshohlraum 17 münden.
Die 6 und 7 zeigen schematische Darstellungen zur Detailbeschreibung des Klimaanlagenmodus. Gezeigt sind jeweils verschiedene Rotationswinkel der ersten Spirale 15 und der zweiten Spirale 2, wobei zwischen den Spiralen 15 und 2 jeweils eine Saugkammer SC, eine Mittelkammer MC und eine Auslasskammer DC gebildet sind. Die 6A zeigt einen Rotationswinkel von 0° beziehungsweise 360°, wobei die Saugkammer SC ein Druck von 35 bar, die Mittelkammer MC ein Druck von 130 bar und die Auslasskammer DC einen Druck von 130 bar aufweisen. Im Unterschied zur 6A ist der Rotationswinkel in 6B 90°, wobei die Mittelkammer MC einen Druck von 45 bar aufweist.
7A zeigt einen Rotationswinkel von 180°, wobei die Mittelkammer MC einen Druck von 57 bar aufweist. Bei einem Rotationswinkel von 270°, wie in 7B gezeigt ist, weist die Mittelkammer MC einen Druck von 79 bar auf.
8 zeigt ein Diagramm der isentropen Verdichtung des Scrollverdichters zur Detailbeschreibung des Klimaanlagenmodus in Bereich 21 und im Bereich 22, bei dem die Ventile 16 der Vor-Auslässe 3 im Bereich 21 geöffnet und geschlossen werden. Es findet keine Strömung von hohem Druck in der kombinierten inneren Kompressionskammer, welche aus der Auslasskammer DC und dem Auslasshohlraum 17 gebildet ist, statt, obwohl kein Haupt-Auslassventil am Haupt-Auslass 4 vorhanden ist. Die Auslasskammer DC und Auslasshohlraum 17 sind auf gleichem Niveau. Der Kompressor weist niedrige Auslasstemperaturen auf. Der gesamte Umschlingungswinkel beträgt 660°, so dass die drei Kompressionskammern (Saugkammer SC, Mittelkammer MC und Auslasskammer DC) stets gebildet werden können. Aufgrund der Eigenschaften des spezifischen Kältemittels CO₂ wird der notwendige Hochdruck unter allen Klimaprüfpunkten innerhalb der Mittelkammer MC erreicht (360° Rotationswinkel). Daher ist kein Haupt-Auslassventil erforderlich. Nur die Vor-Auslässe 3 schließen und öffnen.
9 zeigt ein Diagramm der isentropen Verdichtung des Scrollverdichters zur Detailbeschreibung des Wärmepumpenmodus im Bereich 21 und im Bereich 22. Im Wärmepumpenmodus bleiben die Ventile 16 der Vor-Auslässe 3 geschlossen. Ein Durchfluss von hohem Druck ist möglich, da der Haupt-Auslass 4 stets geöffnet ist. Der Druck in der Kompressionskammer ist auf niedrigerem Druckniveau als der Druck im Auslasshohlraum 17. Der Scrollverdichter weist hohe Auslasstemperaturen auf, welche für eine effiziente Funktion der Wärmepumpe erforderlich sind.
Bezugszeichenliste

1: Zweites Scrollelement
2: Zweite Spirale
3: Vor-Auslässe
4: Haupt-Auslass
5: 3-Finger-Ventil
6: Finger/Blätter
7: Hauptblatt/Mittelblatt
8: Kuppel
9: Gehäuse
10: Ansaugeinlass
11: System-Auslass
12: Zweite Platte
13: Erstes Scrollelement
14: Erste Platte
15: Erste Spirale
16: Ventil
17: Auslasshohlraum
18: Auslassventil
19: Halterung
20: Zwischenraum
21: Bereich der Vor-Auslässe
22: Bereich des Haupt-Auslasses
SC: Ansaugkammer/Saugkammer
MC: Mittelkammer
DC: Auslasskammer
LP: Saugdruck/Niederdruck
HP: Auslassdruck/Hochdruck

Claims

Scrollverdichter, aufweisend ein Gehäuse (9) mit einem Ansaugeinlass (10) und einem System-Auslass (11), ein in dem Gehäuse (9) fixiert angeordnetes erstes Scrollelement (13) mit einer an einer ersten Platte (14) ausbildeten erste Spirale (15), ein in dem Gehäuse (9) rotierbar angeordnetes zweites Scrollelement (1) mit einer an einer zweiten Platte (12) ausgebildeten zweiten Spirale (2), welche mit der ersten Spirale (15) in einem Winkel gedreht und radial versetzt angeordnet derart zusammengesteckt ist, dass die zweite Spirale (2) bei einer Rotation des zweiten Scrollelements (1) auf der ersten Spirale (15) unter Ausbildung einer Ansaugkammer (SC), einer Mittelkammer (MC) und einer Auslasskammer (DC) abrollbar ist, wobei in der ersten Platte (14) zwei exzentrisch angeordnete Vor-Auslässe (3), welche jeweils mit einem Ventil (16) absperrbar sind, und einem zentrisch angeordneten Haupt-Auslass (4) für ein über den Ansaugeinlass (10) zugeführtes Kältemittel ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Auslass (4) in einen ein Totvolumen aufweisenden Auslasshohlraum (17) mündet, welcher zwischen dem Haupt-Auslass (4) und dem System-Auslass (11) gebildet ist und ein Auslassventil (18) in Richtung des System-Auslasses (11) aufweist, wobei an der Mündung des Haupt-Auslasses (4) in den Auslasshohlraum (17) kein Ventil (16) zum Absperren des Haupt-Auslasses (4) vorgesehen ist.
Scrollverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Auslass (4) und die zwei Vor-Auslässe (3) in den Auslasshohlraum (17) münden.
Scrollverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasshohlraum (17) mit einer Kuppel (8) gebildet ist, die auslassseitig an der ersten Platte (14) angeordnet ist und dabei den Haupt-Auslass (4) oder den Haupt-Auslass (4) und die zwei Vor-Auslässe (3) überdeckt.
Scrollverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslasshohlraum (17) und dem System-Auslass (11) ein Zwischenraum gebildet ist.
Scrollverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Scrollverdichter einen Gesamtumschlingungswinkel von 660° aufweist.
Anwendung eines Scrollverdichters nach den Ansprüchen 1 bis 5 im Klimatisierungsbetrieb oder im Wärmepumpenbetrieb, wobei die Ventile (16) der Vor-Auslässe (3) im Klimatisierungsbetrieb zur Erzeugung von Kälte geöffnet und geschlossen werden, und wobei die Ventile der Vor-Auslässe (3) im Wärmepumpenbetrieb zur Erzeugung von Wärme geschlossen bleiben.