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Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Verdrängermaschinen, die nach dem Spiralprinzip arbeiten, insbesondere Scrollverdichter, sind aus der Praxis bekannt. Sie werden üblicherweise als Kompressoren für Klimaanlagen in Fahrzeugen eingesetzt. Im Allgemeinen sind derartige Scrollverdichter so aufgebaut, dass eine Verdichtungsbaugruppe, die einen Elektromotor, eine orbitierende Verdrängerspirale, eine Gegenspirale und eine Lagerplatte aufweist, in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse soll die inneren Bauteile des Scrollverdichters vor einer Korrosion schützen.
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Das Wirkprinzip des Scrollverdichters besteht darin, dass die Verdrängerspirale und die Gegenspirale ineinandergreifen, so dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale variable Verdichtungskammern gebildet sind. In diese Verdichtungskammern strömt ein Arbeitsmittel ein und wird durch die variablen Verdichtungskammern verdichtet. Der Antrieb der orbitierenden Verdrängerspirale erfolgt über den Elektromotor mittels einer Motorwelle, die mit der Verdrängerspirale antriebsverbunden ist.
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Scrollverdichter sind generell sehr effizient und grundsätzlich laufruhig. Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen erhöhen sich jedoch die Anforderungen an die Laufruhe erheblich. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen führen bereits kleine Vibrationen in einzelnen Bauteilen zu einer merklichen Geräuschentwicklung. Eine solche Geräuschentwicklung ist bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren durch die Vibrationen des Verbrennungsmotors an sich untergegangen. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird durch Reduktion von bewegten Teilen jedoch erreicht, dass die aus dem Fahrzeugantrieb emittierten Vibrationen deutlich reduziert sind. Folglich treten Vibrationen anderer Bauteile im Fahrzeug in den Vordergrund. Es besteht daher ein hohes Bestreben danach, andere bewegte Bauteile in einem Fahrzeug im Hinblick auf Vibrationen und Schallemissionen zu verbessern. Dies betrifft insbesondere auch Klimakompressoren in Fahrzeugen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, anzugeben, die im Hinblick auf Vibrationen und Schallemissionen verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, mit einem Elektromotor, einer orbitierenden Verdrängerspirale und einer Gegenspirale gelöst, wobei die Verdrängerspirale und die Gegenspirale so ineinander greifen, dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale variable Verdichtungskammern gebildet sind, um ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Arbeitsmittel aufzunehmen und zu verdichten. Der Elektromotor ist mittels einer Motorwelle mit der Verdrängerspirale antriebsverbunden. Erfindungsgemäß ist die Motorwelle über ein einziges Wellenlager abgestützt, das zwischen dem Elektromotor und der Verdrängerspirale angeordnet ist.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Anzahl an Verbindungen zwischen bewegten Teilen der Verdrängermaschine und unbewegten Teilen zu reduzieren. Die Motorwelle als bewegtes Teil benötigt eine Lagerung, wobei sich gezeigt hat, dass ein einziges Wellenlager ausreicht, um die Motorwelle stabil zu lagern. Gleichzeitig werden Kontakte zu anderen Bauteilen, insbesondere unbeweglichen Bauteilen, durch den Verzicht auf weitere Wellenlager reduziert. Das führt zu einer Verbesserung im Hinblick auf die Schallemissionen der Verdrängermaschine. Konkret werden die von der Motorwelle erzeugten Vibrationen so gezielt über ein einziges Wellenlager abgeleitet. Das bietet verbesserte Steuerungsmöglichkeiten zur Reduktion der Schwingungsübertragung.
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Vorzugsweise ist die Motorwelle auf einer dem Wellenlager gegenüberliegenden Seite des Elektromotors freitragend, insbesondere ungelagert. Insbesondere weist die Motorwelle vorzugsweise zu einem Gehäuse der Verdrängermaschine einen Abstand auf, so dass eine Übertragung von Vibrationen über die Motorwelle direkt an das Gehäuse vermieden wird. Eine Verbindung zwischen der Motorwelle und dem Gehäuse besteht allenfalls mittelbar über das einzige Wellenlager. Die Verbindung kann jedoch durch Dämpfungs- und/oder Entkopplungselemente schwingungsentkoppelt sein.
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Um axiale Kräfte, die auf die Motorwelle wirken, gut aufnehmen zu können, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Wellenlager als zweireihiges Schrägkugellager oder als ein Paar von aneinander anliegenden einreihigen Schrägkugellagern gebildet ist. Das zweireihige Schrägkugellager und/oder das Paar von einreihigen Schrägkugellagern können jeweils eine O-Anordnung aufweisen. Durch die O-Anordnung ist gewährleistet, dass axiale Kräfte in beide Axialrichtungen aufgenommen werden können.
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Bevorzugt ist es, wenn das Wellenlager in einer Lagerplatte befestigt ist, die sich zwischen dem Elektromotor und der Verdrängerspirale befindet. Die Lagerplatte bildet somit ein zentrales Bauteil, das sowohl den Antriebsteil der Verdrängermaschine, als auch den Verdichtungsteil der Verdrängermaschine trägt bzw. stützt. Eine solche zentrale Anbindung hat nicht nur fertigungstechnische Vorteile, sondern bietet Möglichkeiten, um gezielt im mechanischen Betrieb auftretende Vibrationen abzuleiten bzw. zu sammeln, um sie durch einfache Maßnahmen an zentraler Stelle zu reduzieren oder sogar zu eliminieren. Jedenfalls kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die Vibrationen, die in der gesamten mechanischen Einheit der Verdrängermaschine auftreten, an zentraler Stelle gedämpft werden können, um eine Schallemission der Verdrängermaschine insgesamt zu reduzieren.
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Insoweit ist es besonders bevorzugt, wenn die Lagerplatte ein Innengehäuse bildet, in welchem der Elektromotor angeordnet ist. Der Elektromotor, die Lagerplatte, die Verdrängerspirale und die Gegenspirale können eine, insbesondere mechanisch eigenständige, Verdichtungsbaugruppe bilden, die in einem Gehäuse angeordnet ist. Die Verdichtungsbaugruppe kann vom Gehäuse schwingungsentkoppelt sein. Insbesondere kann die Lagerplatte, die das Innengehäuse bildet, durch Entkopplungselemente von dem Gehäuse schwingungsentkoppelt sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verdichtungsbaugruppe ausschließlich über Entkopplungselemente im Gehäuse fixiert ist. Im Betrieb der Verdichtungsbaugruppe auftretende Vibrationen werden so nicht oder nur stark gedämpft an das Gehäuse abgegeben, wodurch die Geräuschentwicklung nach außen deutlich reduziert wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine weist das Gehäuse einen Gehäuseboden auf, mit dem ein Invertergehäuse verbindbar ist. Alternativ kann der Gehäuseboden ein Teil eines Invertergehäuses bilden. Der Gehäuseboden kann von dem Elektromotor, insbesondere von einem dem Wellenlager gegenüber angeordneten freien Ende des Elektromotors, beabstandet sein. Bei herkömmlichen Verdrängermaschinen, bei welchen im Gehäuseboden ein zweites Wellenlager angeordnet ist, bildet das Invertergehäuse, das an den Gehäuseboden angeschlossen ist, einen Resonanzraum, der zu einer Verstärkung der Schallemissionen führt. Durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf ein solches weiteres Wellenlager und dem Abstand zwischen dem Elektromotor und dem Gehäuseboden wird das Invertergehäuse von den mechanisch bewegten Teilen der Verdrängermaschine vibrationsentkoppelt, was zu einer weiteren Reduktion der Schallemissionen führt.
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Neben der Reduktion von Schallemissionen hat die Erfindung weitere Vorteile. Einerseits wird durch den Verzicht auf weitere Wellenlager die Bauteilvielfalt reduziert, was sich positiv in den Herstellungskosten niederschlägt. Die erfindungsgemäße Verdrängermaschine weist also einen besonders einfachen Aufbau auf. Überdies ist die erfindungsgemäße Verdrängermaschine besonders kompakt, da die Motorwelle durch den Verzicht auf ein weiteres Wellenlager kurz ausgebildet werden kann. Insgesamt führt dies zu einer verkürzten Baulänge der Verdrängermaschine. Die Einbaumöglichkeiten der Verdrängermaschine in Fahrzeugen werden damit verbessert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte, schematische Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Verdrängermaschine.
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Die einzige Figur zeigt eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter. Der Scrollverdichter weist ein Gehäuse 100 auf, das eine Verdichtungsbaugruppe 150 umschließt. Das Gehäuse 100 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Hauptgehäuse 110 und einem Gehäusedeckel 120 gebildet. Das Hauptgehäuse 110 ist im Wesentlich topfförmig gestaltet und durch den Gehäusedeckel 120 an einem axialen Ende verschlossen.
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Die Verdichtungsbaugruppe 150 umfasst einen Elektromotor 10, der einen Stator 13 und einen Rotor 11 aufweist. Der Rotor 11 ist drehfest mit einer Motorwelle 12 verbunden, die in einem Wellenlager 31 gelagert ist. Das Wellenlager 31 ist vorzugsweise als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet und bildet die einzige Lagerung für die Motorwelle 12. Alternativ kann das Wellenlager 31 auch durch ein Paar von aneinander anliegenden einreihigen Schrägkugellagern gebildet sein. Das Wellenlager 31 weist in jedem Fall bevorzugt eine O-Anordnung auf, so dass es axiale Kräfte in beide Richtungen aufnehmen kann.
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Das Wellenlager 31 ist vorzugsweise das einzige Wellenlager 31. Konkret ist die Motorwelle 12 nur durch das einzige Wellenlager 31 gelagert. Insbesondere auf einer dem einzigen Wellenlager 31 gegenüberliegenden Seite ist die Motorwelle 12 lagerfrei bzw. ungelagert. Die Motorwelle 12 ist insoweit freitragend durch das einzige Wellenlager 31 gelagert. In diesem Zusammenhang wird von einer fliegenden Lagerung der Motorwelle 12 gesprochen.
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Die Motorwelle 12 weist ferner zu einem Gehäuseboden 101 des Gehäuses 100 einen Abstand auf. Insbesondere besteht kein unmittelbarer Kontakt zwischen der Motorwelle 12 und dem Gehäuseboden 101. Damit wird vermieden, dass Vibrationen aus der Rotationsbewegung der Motorwelle 12 auf das Gehäuse 100 übertragen werden. Am Gehäuseboden 101 kann ferner ein Invertergehäuse angeordnet sein. Der Gehäuseboden 101 kann auch eine Wand des Invertergehäuses bilden. In beiden Fällen bildet der Innenraum des Invertergehäuses einen Resonanzraum bzw. Resonanzkörper, der Schallemissionen verstärken kann. In dem die Motorwelle 12 von dem Gehäuseboden 101 und damit von dem Invertergehäuse entkoppelt ist, werden derartige Schallemissionen reduziert.
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Das Wellenlager 31 ist in eine Lagerplatte 30 eingepresst. Die Lagerplatte 30 trennt einen Antriebsraum der Verdichtungsbaugruppe 150 von einem Verdichtungsraum. Im Antriebsraum ist der Elektromotor 10 angeordnet. Der Verdichtungsraum umfasst eine Verdrängerspirale 21, die auf der Lagerplatte 30 oder einer auf der Lagerplatte 30 angeordneten Gleitplatte (nicht dargestellt) aufliegt. Die Verdrängerspirale 21 greift in eine Gegenspirale 22 ein, die ebenfalls im Verdichtungsraum angeordnet ist. Die Gegenspirale 22 ist mit der Lagerplatte 30 fest verbunden, insbesondere verschraubt.
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Um eine gute Abdichtung der zwischen der Verdrängerspirale 21 und der Gegenspirale 22 gebildeten Verdichtungskammern zu erreichen, weist die Verdrängerspirale eine Dichtungsnut 23 auf. Die Dichtungsnut 23 erstreckt sich vorzugsweise ringförmig um die Längsachse der Motorwelle 12 durch den Boden der Verdrängerspirale 21. In die Dichtungsnut 23 ist eine Dichtung aufgenommen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt ist.
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Radial innerhalb der Dichtungsnut 23 ist ein Antirotationsmechanismus 40 vorgesehen. Der Antirotationsmechanismus 40 umfasst mehrere verteilt angeordnete Stifte 41, die fest in der Lagerplatte 30 angeordnet sind. Die Stifte 41 stehen über die Lagerplatte 30 vor und greifen in Bohrungen 42 ein, die in der Verdrängerspirale 21 ausgebildet sind. Die Bohrungen 42 weisen einen Querschnittsdurchmesser auf, der deutlich größer, insbesondere um ein Vielfaches größer, als der Durchmesser der Stifte ist. Der Antirotationsmechanismus 40, der auch als Pin/Ring-Mechanismus bezeichnet wird, verhindert, dass sich die Verdrängerspirale 21 um ihre Mittelachse dreht. Vielmehr wird so erreicht, dass die Verdrängerspirale in eine orbitierende Bewegung gedrängt wird. Dabei wird die Verdrängerspirale 21 durch die Motorwelle 12 angetrieben, die über einen Ausgleichsmechanismus 14 und ein Exzenterlager 15 mit der Verdrängerspirale 21 in Kontakt steht. Der Ausgleichsmechanismus 14 umfasst im Wesentlichen ein Gegengewicht, das dynamische Unwuchten der Verdrängerspirale 21 ausgleicht und so bewirkt, dass die Verdichtungskammern zwischen der Verdrängerspirale 21 und der Gegenspirale 22 abgedichtet sind.
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Wie aus der Figur erkennbar ist, bildet die Lagerplatte 30 ein Innengehäuse 32, in welchem der Elektromotor 10 angeordnet ist. Insbesondere setzt sich die Lagerplatte 30 zylinderförmig fort und nimmt den Stator 13 des Elektromotors 10 auf. Der Stator 13 ist vorzugswiese fest mit dem Innengehäuse 32 verbunden. Das Innengehäuse 32 weist mehrere Nuten 33 auf, die sich vorzugsweise ringförmig um die Längsachse der Motorwelle 12 erstrecken. Insgesamt sind vier Nuten vorgesehen, wobei drei Nuten radial nach außen geöffnet sind, wogegen eine Nut in Richtung eines axialen Endes des Innengehäuses 32 geöffnet ist. In allen Nuten 33 sind Entkopplungselemente 34 angeordnet, die mit dem Gehäuse 100 in Kontakt stehen. Die Entkopplungselemente 34 sind vorzugsweise als O-Ringe aus Kunststoff und/oder Gummi gebildet.
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Das Innengehäuse 32 weist zum Gehäuse 100 ein Spiel auf. Konkret ist vorgesehen, dass zwischen dem Innengehäuse 32 und dem Gehäuse 100 ein Spalt besteht. Die Entkopplungselemente 34 überbrücken diesen Spalt und halten das Innengehäuse 32 auf Abstand vom Gehäuse 100. Es besteht so kein metallischer Kontakt zwischen Innengehäuse 32 und dem Gehäuse 100, wodurch eine Schallentkopplung erreicht ist.
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Die Gegenspirale 22 weist ebenfalls Nuten 33 auf, die jeweils ein Entkopplungselement 34 aufnehmen. Die Gegenspirale 22 bildet mit dem Innengehäuse 32 und den im Innengehäuse 32 angeordneten Komponenten die Verdichtungsbaugruppe 150, die vollständig schallentkoppelt von dem Gehäuse 100 gelagert ist. Die Lagerung erfolgt über die Entkopplungselemente 34, die in den Nuten 33 angeordnet sind.
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Erkennbar ist in der Figur auch, dass eine der Nuten 33 in der Gegenspirale 22 in Richtung eines freien axialen Endes des Gehäusedeckels 120 geöffnet ist. Die axial geöffnete Nut 33 des Innengehäuses 32 ist in die Gegenrichtung geöffnet, also in Richtung des freien Endes des Hauptgehäuses 110. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Verdichtungsbaugruppe 150 nicht nur radial, sondern auch beidseitig axial von dem Gehäuse 100 entkoppelt ist. Die zweite Nut 33 ist in der Gegenspirale 22 radial nach außen geöffnet, also in Richtung der Innenfläche des Gehäusedeckels 120.
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Die Figur lässt außerdem erkennen, dass die Verdichtungsbaugruppe 150 für sich genommen mechanisch eigenständig ist. Alle mechanischen Abläufe des Scrollverdichters erfolgen also in der Verdichtungsbaugruppe 150. Die Aufgabe des Gehäuses 100 besteht lediglich darin, die entsprechenden Fluidkammern zur Führung des zu verdichtenden Arbeitsmittels zu bilden und die Verdichtungsbaugruppe 150 vor äußeren Umwelteinflüssen zu schützen.
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Bezugszeichen
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- 10
- Elektromotor
- 11
- Rotor
- 12
- Motorwelle
- 13
- Stator
- 14
- Ausgleichsmechanismus
- 15
- Exzenterlager
- 21
- Verdrängerspirale
- 22
- Gegenspirale
- 23
- Dichtungsnut
- 30
- Lagerplatte
- 31
- Wellenlager
- 32
- Innengehäuse
- 33
- Nut
- 34
- Entkopplungselement
- 40
- Antirotationsmechanismus
- 41
- Stift
- 42
- Bohrung
- 100
- Gehäuse
- 101
- Gehäuseboden
- 110
- Hauptgehäuse
- 120
- Gehäusedeckel
- 150
- Verdichtungsbaugruppe