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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidverdichter, insbesondere einen Fluidverdichter, welcher zum Verdichten eines Kältemittels für eine Klimaanlage oder ein Kühlsystem geeignet ist.
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Fluidverdichter können beispielsweise als Kältemittelverdichter oder Kältemittelkompressoren in Klimaanlagen in Fahrzeugen, wie zum Beispiel Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, verwendet werden. Fluidverdichter verdichten oder komprimieren im Betrieb ein Fluid, beispielsweise ein Kältemittel. Fluidverdichter benötigen eine ausreichende Schmierung der beweglichen Teile, insbesondere der Teile, deren Oberflächen druckbelastet aufeinander gleiten. Dies betrifft insbesondere auch elektrisch angetriebene Fluidverdichter oder Kältemittelverdichter, welche beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet werden können. Die ausreichende Schmierung des elektrischen Kältemittelverdichters erfordert ein System, welches es erlaubt, Öl für die Schmierung in definierter Menge im Verdichter zirkulieren zu lassen. Dieses sogenannte Öl-Management im Verdichter hat einen wesentlichen Einfluss auf das Verschließ- und Leistungsverhalten des Verdichters. Da das Öl im Verdichter in Kontakt mit dem zu komprimierenden Fluid kommt, kann ein unkontrolliertes Austreten des Öls in größeren Mengen aus dem Verdichter das Risiko einer Mangelschmierung erhöhen und die Gesamteffizienz des Verdichters und einer damit verbundenen Klimaanlage verringern. Daher sind eine zuverlässige Ölabscheidung und eine geeignete Rezirkulation des Öls im Verdichter sicherzustellen.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 699 23 627 T2 einen Verdichter mit Ölabscheidungsanordnung. Der Verdichter umfasst ein Gehäuse, einen Verdichtermechanismus, einen Auslasskanal, einen Ölabscheider und einen Zuführkanal. Der Verdichtermechanismus ist in dem Gehäuse aufgenommen und dient zum Verdichten eines Kühlmittelgases. In dem Gehäuse wird ein Schmieröl mit dem Gas vermischt. Der Auslasskanal ist in dem Gehäuse ausgebildet und dient zum Ausströmen des Gases aus dem Verdichter. Der Ölabscheider dient zum Abtrennen des Schmieröls von dem Gas. Der Abscheider umfasst eine in dem Gehäuse ausgebildete Aussparung und einen in die Aussparung eingepassten Stopfen.
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Die Aussparung und der Stopfen bilden eine in dem Auslasskanal angeordnete Abtrennkammer. Der Stopfen umfasst einen Auslasskanal, welcher stromabwärts von der Abtrennkammer geführt ist. Das Gas tritt in die Abtrennkammer ein, strömt längs einer Wand der Abtrennkammer und tritt aus der Abtrennkammer aus. Der Zuführkanal ist in dem Gehäuse ausgebildet und verbindet die Abtrennkammer mit dem Verdichtermechanismus zum Zuführen von Schmiermittel zum Verdichtermechanismus. Das Kühlmittelgas wird zu der Abtrennungskammer mittels eines Eintrittkanals geleitet. Das Gas dreht sich längs der Innenwand der Abtrennungskammer. Die Zentrifugalkraft der Gasrotation trennt das fein verteilte Öl von dem Kühlmittelgas. Das in der Nähe der Mittelachse der Abtrennungskammer angeordnete Gas enthält weniger Öl als das am Umfang der Kammer angeordnete Gas. Der Auslasskanal und die Abtrennkammer verlaufen koaxial und der Durchmesser des Eintritts zu dem Auslasskanal ist kleiner als der Durchmesser der Abtrennkammer. Somit wird das in der Mitte angeordnete Gas, welches weniger Öl enthält, von einem Verbindungskanal ausgegeben. Der Druck in einer Kurbelwellenkammer ist niedriger als der Auslassdruck, welcher auf die Abtrennkammer wirkt. Das Gas in der Abtrennkammer wird zu der Kurbelwellenkammer mittels der Druckdifferenz zur Steuerung der Verdichterverdrängung geführt. Wenn das Gas zur Kurbelwellenkammer geführt wird, wird das abgetrennte Öl in der Abscheidungskammer zur Kurbelwellenkammer durch einen Zuführungskanal gezogen. Das Öl gelangt dann zwischen Kolben, Schuhe und eine Taumelscheibe des Verdichtermechanismus. Das Öl schmiert und kühlt die in Eingriff stehenden Flächen. Die Menge des zurückgeführten Öls hängt somit von den Druckverhältnissen ab. Daher kann die für die Schmierung zur Verfügung stehende Ölmenge bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen stark variieren. Ebenso kann eine Menge von über den Zuführungskanal zurückgeführtes Kühlmittel bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterschiedlich groß sein.
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Insbesondere bei Kältemittelverdichtern, welche Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel verwenden, ist ausgangsseitig ein hoher Druck im Bereich von über 100 bar erforderlich. Der Druck kann ausgangsseitig beispielsweise 130 bar betragen. In einem Triebwerksraum des Kältemittelverdichters, in welchem beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor und ein Antrieb für Verdichterkolben vorgesehen sind, herrscht hingegen ein Druck in der Größenordnung von unter 100 bar. Hier herrscht beispielsweise ein Druck von 30 bar. Dadurch ergeben sich erhöhte Anforderungen an das Öl-Management des Verdichters, um insbesondere das Öl in definierter Menge im Verdichter zirkulieren zu lassen.
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Die
US 6,129,532 A zeigt einen Lösungsansatz für dieses Problem. Die
US 6,129,532 A betrifft einen mittels eines Elektromotors angetriebenen CO
2-Kompressor des Spiraltyps. Ein größerer Teil des Innenraums eines Hauptgehäuses wird von einem Motor eingenommen, welcher eine Antriebseinheit bildet. Insbesondere ist ein Feldkern entlang der Innenfläche des Gehäuses befestigt und ein Anker ist mit einer Vielzahl von Permanentmagneten einstückig mittels einer Welle darin gelagert, wodurch ein Wechselstrommotor gebildet wird. Ein Ende der Welle erstreckt sich in ein Kompressorgehäuse, welches durch Verschrauben einstückig mit dem Gehäuse verbunden ist und hierdurch eine gegenüber dem axialen Zentrum der Welle exzentrische Kurbel bildet. Die Kurbel stützt drehbar einen Ansatz am Zentrum einer bewegbaren Spirale über ein Lager ab. Eine Stirn- bzw. Endplatte der bewegbaren Spirale ist mit einer drehfesten Einrichtung ausgestattet, um eine Drehung zu verhindern, während sie eine umlaufende Bewegung der bewegbaren Spirale zulässt. Eine Gleiteinheit ist in gleitender Berührung mit der Rückfläche der Stirn- bzw. Endplatte der bewegbaren Spirale und einer Stirnfläche des Kompressorgehäuses als Schubaufnahmeflächen ausgebildet. Eine zentrale Arbeitskammer wird zwischen Volutenschaufeln der beiden Spiralen gebildet, die kämmend miteinander kombiniert sind. Die zentrale Arbeitskammer ist ausgestaltet, eine Verbindung mit einer Auslasskammer herzustellen, die als ein Raum außerhalb der Stirn- bzw. Endplatte der festgelegten Spirale gebildet ist. Die Auslasskammer steht mit dem Inneren des Hauptgehäuses in Verbindung und stellt weiter über die Spalten des Feldkerns und die Spule des Motors eine Verbindung mit einem Auslassanschluss her. Der Auslassanschluss ist mit dem Kühl- bzw. Kältezyklus eines Klimatisierungssystems verbunden, welches von CO
2 als Kühlmittel Gebrauch macht. Des Weiteren ist die Welle mit einem Ölweg ausgebildet, der mit den eine Schmierung erfordernden Teilen in Verbindung steht. Der Ölweg verläuft durch einen Ölbehälter eines Ölabscheiders. Der Ölabscheider besitzt einen darin ausgebildeten Raum zum Abscheiden des Schmiermittels aus dem CO
2-Kältemittel unter Druck. Durch eine bewegbare Spirale kann die Strömung des durch den Ölweg hindurchtretenden Schmiermittels unterbrochen werden. Folglich wird das Schmiermittel intermittierend zugeführt, wodurch keine druckreduzierenden Teile zum Begrenzen der Strömungsgeschwindigkeit des Schmiermittels in dem Ölweg erforderlich sind. Somit kann das Schmiermittel stabil und definitiv zugeführt werden. Der in der Druckschrift offenbarte Ölabscheider weist jedoch nur ein geringes Abscheidungsvermögen auf. Ferner ist der Aufbau mit den bewegbaren Spiralen zum Begrenzen der Strömungsgeschwindigkeit verhältnismäßig aufwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfach realisierbares und verbessertes Öl-Management in einem Fluidverdichter bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Fluidverdichter nach Anspruch 1 und ein Kühlsystem nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fluidverdichter einen Triebwerksraum mit einem Fluideingang zum Zuführen von Fluid. Der Triebwerksraum ist im Betrieb des Fluidverdichters von dem Fluid durchströmbar. Der Fluidverdichter umfasst weiterhin eine beispielsweise in dem Triebwerksraum angeordnete Verdichtereinrichtung zum Verdichten des Fluids. Die Verdichtereinrichtung kann beispielsweise mindestens einen Verdichterkolben umfassen, welcher in der Lage ist, das Fluid aus dem Triebwerksraum zu verdichten und das verdichtete Fluid an einem Fluidausgang des Fluidverdichters bereitzustellen. Der Verdichterkolben bewegt sich beispielsweise in einem Verdichterzylinder. Das Fluid kann beispielsweise über ein Ventil, vorzugsweise ein Rückschlagventil, von dem Triebwerksraum in den Verdichterzylinder geleitet werden. Das Ventil kann beispielsweise an einer Wand des Verdichterzylinders oder in einem Boden des Verdichterkolbens angeordnet sein.
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Der Fluidverdichter umfasst weiterhin ein Schmiersystem zum Schmieren von Komponenten des Fluidverdichters mit einem Schmiermittel. Das Schmiermittel kann beispielsweise ein Öl sein, insbesondere ein Schmieröl. Die zu schmierenden Komponenten des Fluidverdichters können beispielsweise Lager von Wellen, Gleitflächen der Verdichterkolben sowie Gleitflächen eines Antriebs für die Verdichterkolben umfassen. Das Schmiersystem ist derart ausgestaltet, dass das Schmiermittel im Betrieb des Fluidverdichters in dem Triebwerksraum in Kontakt mit dem Fluid gelangt. Anders ausgedrückt wird das Schmiermittel nicht getrennt von dem zu verdichtenden Fluid geführt, sondern kann sich mit diesem Fluid vermischen, beispielsweise im Triebwerksraum. Es entsteht somit eine Fluidmischung bestehend aus Fluid und Schmiermittel.
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Das Schmiersystem umfasst einen Fliehkraftabscheider, welcher zwischen der Verdichtervorrichtung und dem Fluidausgang angeordnet ist. Der Fliehkraftabscheider ist daher auf einer Hochdruckseite des Verdichters angeordnet. Der Fliehkraftabscheider kann beispielsweise einen Zyklonabscheider umfassen. Der Fliehkraftabscheider ist in der Lage, Fluid aus der Fluidmischung bestehend aus Schmiermittel und Fluid im Wesentlichen zu dem Fluidausgang zu leiten und Schmiermittel aus der Fluidmischung im Wesentlichen zu einer Schmiermitteldrossel zu leiten. Unter der Annahme, dass das Fluid und das Schmiermittel unterschiedliche Dichten aufweisen, kann eine Trennung von Fluid und Schmiermittel mit Hilfe des Fliehkraftabscheiders realisiert werden. Vorzugsweise werden mindestens 90% des Fluids aus der Mischung zu dem Fluidausgang geleitet und mindestens 90% des Schmiermittels aus der Mischung zu der Schmiermitteldrossel. Weiter vorzugsweise werden mindestens 95% des Fluids bzw. des Schmiermittels zu dem Fluidausgang bzw. der Schmiermitteldrossel geleitet. Weiter werden vorzugsweise mindestens 99% des Fluids zu dem Fluidausgang geleitet und mindestens 99% des Schmiermittels zu der Schmiermitteldrossel. Die Schmiermitteldrossel ist ebenfalls Bestandteil des Schmiersystems. Die Schmiermitteldrossel ist in der Lage, eine Durchflussmenge von Schmiermittel durch die Schmiermitteldrossel zu verringern.
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Durch den Fliehkraftabscheider können Schmiermittel und Fluid zuverlässig voneinander getrennt werden. Dadurch kann vermieden werden, dass Schmiermittel zusammen mit dem Fluid in einen angeschlossenen Fluidkreislauf strömt. Die Schmiermitteldrossel, welche eine Verbindung zwischen dem Fliehkraftabscheider und beispielsweise dem Triebwerksraum oder Komponenten darin herstellt, kontrolliert einen Volumenstrom des Schmiermittels von dem Fliehkraftabscheider in den Triebwerksraum. Dadurch kann eine Wirksamkeit des Fliehkraftabscheiders verbessert werden und somit ein ungewünschter Strom von Fluid zusammen mit dem Schmiermittel von dem Fliehkraftabscheider in den Triebwerksraum verhindert oder verringert werden. Ferner kann eine Druckerhöhung in dem Triebwerksraum aufgrund des hohen Drucks an der Fluidausgangsseite verhindert werden, da die Schmiermitteldrossel durch die Begrenzung des Volumenstroms ein Druckgefälle aufrechterhält. Dadurch kann die Effizienz des Fluidverdichters weiter verbessert werden. Durch die Verwendung des Fliehkraftabscheiders kann die Druckdifferenz über der Schmiermitteldrossel verringert werden, sodass die Schmiermitteldrossel beispielsweise als eine einfache Einschnürung oder verjüngte Durchführung ausgebildet werden kann.
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Das Fluid kann ein Kältemittel, insbesondere Kohlendioxid (CO2) umfassen. Dadurch kann der Fluidverdichter insbesondere in elektrisch angetriebenen Klimaanlagen von Fahrzeugen, insbesondere Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen, verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Triebwerksraum ferner eine Antriebswelle zum Antreiben der Verdichtereinrichtung, beispielsweise der Verdichterkolben, vorgesehen. Beispielsweise setzt ein Antrieb für die Verdichtereinrichtung eine Drehbewegung der Antriebswelle in einen Hin- und Herbewegung der Verdichterkolben um. Die Antriebswelle weist eine Längsöffnung auf, welche sich in Längsrichtung der Antriebswelle von einem ersten Ende der Antriebswelle zu einem zweiten Ende der Antriebswelle erstreckt. Die Längsöffnung kann beispielsweise eine zentrale Längsbohrung durch die Antriebswelle sein. Das erste Ende der Antriebswelle steht in Verbindung mit einem Ausgang der Schmiermitteldrossel und bildet somit einen Eingang in die Längsöffnung. Die Verbindung zu der Schmiermitteldrossel kann beispielsweise über einen Schmiermittelkanal in einem Gehäuse des Fluidverdichters bereitgestellt werden. Indem das Schmiermittel von der Schmiermitteldrossel durch die Längsöffnung der Antriebswelle geleitet wird, kann das rückgeführte Schmiermittel zentral in den Triebwerksraum eingeleitet werden. Dabei wird das Schmiermittel durch die Drehung der Antriebswelle beim Austritt aus der Längsöffnung in dem Triebwerksraum verteilt, sodass eine Schmierung aller beweglichen Komponenten in dem Triebwerksraum sichergestellt werden kann.
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Beispielsweise kann das zweite Ende der Antriebswelle mittels eines Lagers gehalten werden und die Längsöffnung in der Antriebswelle derart ausgestaltet sein, dass im Betrieb des Fluidverdichters Schmiermittel zum Schmieren des Lagers zu dem Lager zugeführt wird. Dadurch kann eine zuverlässige Schmierung des Lagers an dem zweiten Ende der Antriebswelle sichergestellt werden. Ein Lager an dem ersten Ende der Antriebswelle kann beispielsweise direkt über einen Schmiermittelkanal mit der Schmiermitteldrossel gekoppelt sein, um durch die Schmiermitteldrossel rückgeführtes Schmiermittel in das Lager an dem ersten Ende direkt einzuführen. Dadurch kann eine zuverlässige Schmierung der Lager an beiden Enden der Antriebswelle sichergestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Antriebswelle mindestens eine radiale Öffnung in radialer Richtung der Antriebswelle auf. Die radiale Öffnung steht in Verbindung mit der Längsöffnung der Antriebswelle. Dadurch tritt Schmiermittel, welches in die Längsöffnung der Antriebswelle durch die Schmiermitteldrossel gedrückt wird, auch in radialer Richtung durch die radiale Öffnung aus der Antriebswelle aus. Die radiale Öffnung ist derart angeordnet, dass im Betrieb des Fluidverdichters das Schmiermittel durch die Längsöffnung und die radiale Öffnung in einen Bereich in dem Triebwerksraum ausgegeben wird, in welchem eine Schrägscheibe einen Kontakt mit dem mindestens einen Verdichterkolben zum Antreiben des Verdichterkolbens aufweist. Die Schrägscheibe ist an der Antriebswelle angebracht. Die Schrägscheibe ist beispielsweise in einem Winkel von 5°–30° schräg zu der Längsrichtung der Antriebswelle an der Antriebswelle angebracht. Anders ausgedrückt ist eine Rotationssymmetrieachse der Schrägscheibe in einem Winkel schräg zu der Längsachse der Antriebswelle angebracht. Dabei schneiden sich jedoch die Rotationssymmetrieachse der Schrägscheibe und die Längsachse der Antriebswelle in beispielsweise dem Schwerpunkt der Schrägscheibe. In Bezug auf die Längsrichtung der Antriebswelle bewegt sich ein Rand der Schrägscheibe bei einer derartigen Anordnung hin und her. Diese Hin- und Herbewegung kann verwendet werden, um einen oder mehrere Verdichterkolben hin und her zu bewegen. Dazu kann ein jeweiliger Verdichterkolben eine gabelförmige Umfassung aufweisen, welche den Rand der Schrägscheibe gabelförmig umfasst. Ein sogenannter Gleitstein stellt einen Kontakt zwischen der Schrägscheibe und der gabelförmigen Umfassung her.
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Die radiale Öffnung in der Antriebswelle gibt Schmiermittel in den Bereich aus, in welchem die Schrägscheibe den oder die Kolben berührt, also im Bereich der Gleitsteine. Dadurch kann eine Reibung in diesem Kontaktbereich verringert werden, wodurch die Effizienz des Fluidverdichters steigt und ein Verschleiß verringert wird. Der Winkel, mit welchem die Schrägscheibe in Bezug auf die Antriebswelle angebracht ist, kann beispielsweise mittels einer hydraulischen Verstellung einstellbar sein. Durch Einstellen des Winkels kann eine Verdichterleistung des Fluidverdichters eingestellt werden. Alternativ kann die Verdichterleistung auch über eine Änderung der Drehzahl eingestellt werden, mit welcher die Antriebswelle angetrieben wird. Statt der Schrägscheibe können auch ein Schwenkring oder eine Taumelscheibe verwendet werden. Die Schrägscheibe, der Schwenkring bzw. die Taumelscheibe kann mit einem oder mehreren Lagern gelagert werden und somit von der Wellendrehzahl entkoppelt werden.
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Um die Durchflussmenge von Schmiermittel durch die Schmiermitteldrossel zu verringern, kann bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Fließwiderstand der Schmiermitteldrossel einstellbar sein. Die Schmiermitteldrossel kann beispielsweise als Nadeldrossel ausgebildet sein und durch eine Einstellung der Nadelposition der Fließwiderstand der Schmiermitteldrossel eingestellt werden. Dadurch kann die Durchflussmenge von Schmiermittel durch die Schmiermitteldrossel beispielsweise in Abhängigkeit der aktuellen Verdichterleistung eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Fluidverdichter ein Gehäuse, in welchem der Triebwerksraum ausgebildet ist. Das Schmiersystem ist in dem Gehäuse derart ausgebildet, dass es einen Kreislauf für das Schmiermittel ausbildet. Anders ausgedrückt sind der Triebwerksraum, der Schmiermittelabscheider, die Schmiermitteldrossel und sämtliche Schmiermittel befördernden Verbindungen innerhalb des Gehäuses ausgebildet, beispielsweise durch geeignete Bohrungen in dem Gehäuse. Dadurch können externe Schmiermittelleitungen vermieden werden, wodurch die Kosten des Fluidverdichters verringert werden können und die Zuverlässigkeit des Fluidverdichters erhöht werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Fluidverdichter einen elektrischen Antrieb, welcher mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Der elektrische Antrieb ist zumindest teilweise, vorzugsweise sogar vollständig, in dem Triebwerksraum angeordnet ist. Durch das Anordnen des elektrischen Antriebs in dem Triebwerksraum sind keine Durchführungen von außen durch das Gehäuse in den Triebwerksraum erforderlich, um eine Antriebsleistung auf die Antriebswelle auszuüben. Dadurch können Abdichtungen für derartige Durchführungen vermieden werden, wodurch der Fluidverdichter kostengünstiger hergestellt werden kann und zuverlässiger wird. Für den Fall, dass der Fluidverdichter als Kältemittelverdichter verwendet wird, wird zusätzlich eine Kühlung des elektrischen Antriebs durch rückgeführtes Kältemittel in den Triebwerksraum ermöglicht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Fluidverdichter eine Steuerelektronik, welche an einer Außenseite des Gehäuses angebracht ist. Die Steuerelektronik kann beispielsweise den zuvor beschriebenen elektrischen Antrieb steuern. Indem die Steuerelektronik an der Außenseite des Gehäuses angebracht wird, kann eine Kühlung der Steuerelektronik erreicht werden, sofern der Fluidverdichter als Kältemittelverdichter verwendet wird. In diesem Fall wird das Gehäuse durch das in den Triebwerksraum rückgeführte Kältemittel gekühlt und somit auch die an der Außenseite des Gehäuses angebrachte Steuerelektronik.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Kühlsystem bereitgestellt, welches einen Fluidverdichter umfasst, wie er zuvor beschrieben wurde. Das Kühlsystem umfasst weiterhin einen Verdampfer und ein Kältemittel als das Fluid, welches von dem Fluidverdichter verdichtet wird. Ein Fluideingang des Verdampfers ist mit dem Fluidausgang des Fluidverdichters gekoppelt und ein Fluidausgang des Verdampfers ist mit dem Fluideingang des Fluidverdichters gekoppelt. Das Kühlsystem ist mit dem Kältemittel befüllt. Durch die effiziente Rückführung des Schmiermittels in dem Fluidverdichter kann das Kühlsystem eine hohe Kühlleistung aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Kältemittel Kohlendioxid. Kohlendioxid, auch Kohlenstoffdioxid (CO2) genannt, ist ein natürliches Gas und besitzt eine sehr große volumetrische Kälteleistung. Dadurch kann das umlaufende Kältemittelvolumen in dem Kühlsystem verhältnismäßig klein gewählt werden. Bei einer Verwendung als Kältemittel wird Kohlendioxid als R-744 bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Fahrzeug bereitgestellt, welches das zuvor beschriebene Kühlsystem umfasst. Insbesondere durch die Verwendung von Kohlendioxid als das Fluid kann das umlaufende Kältemittelvolumen verhältnismäßig gering ausgelegt werden, sodass das gesamte Kühlsystem kompakt und leichtgewichtig ist. Dadurch kann ein Gesamtgewicht des Fahrzeugs verringert und Bauraum im Fahrzeug eingespart werden. Aufgrund des Fliehkraftabscheiders in Verbindung mit der Schmiermitteldrossel in dem Fluidverdichter kann trotz des hohen Drucks, welcher bei der Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel benötigt wird, ein zuverlässiger und effizienter Betrieb des Fluidverdichters sichergestellt werden.
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Obwohl in der vorherigen Beschreibung die Ausführungsformen der Erfindung unabhängig voneinander beschrieben wurden, können diese beliebig miteinander kombiniert werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
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1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem Kühlsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Fluidverdichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Fliehkraftabscheiders eines Fluidverdichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Fluidverdichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie eine schematische Detailansicht einer Schmiermitteldrossel des Fluidverdichters.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden. Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche oder ähnliche Komponenten.
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1 zeigt ein Fahrzeug 50 mit einem Kühlsystem 51, welches einen Bestandteil einer Klimaanlage des Fahrzeugs 50 bildet. Das Kühlsystem 51 umfasst einen Fluidverdichter 10, einen Verdampfer 52 und Leitungen 55, 56 zum Verbinden des Fluidverdichters 10 mit dem Verdampfer 52. Die Leitung 55 ist einerseits mit einem Druckstutzen 24 des Fluidverdichters 10 und andererseits mit einem Fluideingang 53 des Verdampfers 52 verbunden. Kältemittel, welches von dem Fluidverdichter 10 verdichtet wurde, wird über die Leitung 55 in den Verdampfer 52 übertragen. In dem Verdampfer 52 expandiert das Kältemittel und das expandierte Kältemittel wird über einen Fluidausgang 54 durch die Leitung 56 und einen Saugstutzen 23 des Fluidverdichters 10 zu dem Fluidverdichter 10 zurückgeführt.
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2 zeigt den Fluidverdichter
10 im Detail. Der in
2 gezeigte Fluidverdichter
10 ist ein elektrisch angetriebener Fluidverdichter
10 in einer hermetischen Bauweise. Der Fluidverdichter
10 ist für einen Betrieb mit dem natürlichen Kältemittel Kohlendioxid geeignet. Der Fluidverdichter
10 umfasst ein Gehäuse
11, in welchem ein Triebwerksraum
16 ausgebildet ist. In dem Triebwerksraum
16 ist ein Elektromotor
12 angeordnet, welcher eine Welle
13 antreibt. Die Welle
13 ist an einem ersten Ende mit einem Lager
15 und an einem zweiten Ende mit einem Lager
14 drehbar gelagert. An der Welle
13 ist eine Schrägscheibe
17 derart angeordnet, dass eine Rotationssymmetrieachse der im Wesentlichen kreisförmigen Schrägscheibe
17 zu einer Längsachse der Welle
13 um einen Winkel von 5° bis 30°, beispielsweise 15° geneigt ist. Die Neigung der Schrägscheibe
17 kann verstellbar, beispielsweise hydraulisch verstellbar sein. Die Schrägscheibe
17 wird auch als Taumelscheibe bezeichnet. In dem Gehäuse
11 sind mehrere Zylinderblöcke ausgebildet, in welchen Kolben
18,
19 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet sind. In der in
2 gezeigten Schnittzeichnung sind zwei Zylinderblöcke gezeigt, welche Zylinderkammern
20,
21 ausbilden, in denen Kolben
18,
19 verschiebbar gelagert sind. Die Kolben
18,
19 sind mit der Schrägscheibe
17 derart gekoppelt, dass bei einer Drehung der Welle
13 die taumelnde Bewegung der Schrägscheibe
17 die Kolben
18,
19 nach rechts und links hin und her bewegt. Die Kolben
18,
19 können in Verbindung mit den Zylinderkammern
20,
21 ein in den Zylinderkammern
20,
21 befindliches Fluid verdichten und bilden daher eine Verdichtervorrichtung des Fluidverdichters
10. Der Fluidverdichter
10 wird daher auch als Axialkolbenverdichter bezeichnet. Ein elektrisch angetriebener Kompressor für eine Fahrzeug-Klimaanlage mit einem ähnlichen Antrieb von Hubkolben über eine Taumelscheibe ist aus der
DE 103 22 352 A1 bekannt.
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Der Fluidverdichter 10 umfasst ferner eine Steuerelektronik 22, welche an dem Gehäuse 11 angebracht ist. Die Steuerelektronik 22 steuert den Elektromotor 12. Der Fluidverdichter 10 umfasst weiterhin den Fluideingang 23, um Fluid oder Kältemittel von außerhalb des Fluidverdichters 10 in den Triebwerksraum 16 einzuleiten. Der Fluideingang 23 wird auch als Saugstutzen 23 bezeichnet. Über den Fluidausgang 24 kann der Fluidverdichter 10 verdichtetes Fluid oder Kältemittel nach außen abgeben. Der Fluidausgang 24 wird auch als Druckstutzen bezeichnet
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Der Fluidverdichter 10 umfasst ein Schmiersystem mit einem integrierten Fliehkraftabscheider 25 und einer saugseitigen Schmiermittelrückführung 27. Das Schmiersystem dient der Versorgung von Lagern und Gleitflächen des Fluidverdichters 10 mit einem Schmiermittel, beispielsweise einem Schmieröl. Der Fliehkraftabscheider 25 ist strömungstechnisch zwischen den Zylinderkammern 20, 21 und dem Fluidausgang 24 angeordnet. Der Fliehkraftabscheider 25 wird nachfolgend auch als Zyklonabscheider bezeichnet. Der Fliehkraftabscheider 25 umfasst ein Tauchrohr 26, welches zumindest teilweise in einen zylindrischen Hohlraum des Fliehkraftabscheiders 25 mittig hineinragt und an seinem oberen Ende in den Fluidausgang 24 übergeht. Am unteren Ende des Fliehkraftabscheiders 25 ist die Schmiermittelrückführung 27 als eine in dem Gehäuse 11 integrierte Leitung oder Bohrung vorgesehen. Die Schmiermittelrückführung 27 koppelt das untere Ende des Fliehkraftabscheiders 25 mit einer Schmiermitteldrossel 28, welche in der Lage ist, eine Durchflussmenge von Schmiermittel durch die Schmiermitteldrossel 28 zu verringern oder zu begrenzen. Anders ausgedrückt bremst die Schmiermitteldrossel 28 den Durchfluss von Schmiermittel durch die Schmiermitteldrossel 28. Ausgangsseitig ist die Schmiermitteldrossel 28 mit einer in dem Gehäuse 11 integriert ausgebildeten Schmiermittelführung 29 verbunden, welche eine strömungstechnische Verbindung zu dem Lager 15 und einer Längsöffnung 34 in der Welle 13 herstellt. Die Längsöffnung 34 verläuft in Längsrichtung der Welle 13 von dem ersten Ende der Welle 13 zu dem zweiten Ende der Welle 13. Im Bereich der Schrägscheibe 17 sind in der Welle 13 mehrere radiale Öffnungen 33 vorgesehen, von denen in der 2 zwei zu sehen sind. Die radialen Öffnungen 33 erstrecken sich in radialer Richtung von der Längsöffnung 34 nach außen von der Welle 13.
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Wie eingangs beschrieben, kann der Fluidverdichter 10 beispielsweise als Verdichter einer Klimaanlage in dem Fahrzeug 50, beispielsweise einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, verwendet werden. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen werden elektrisch angetriebene Verdichter für Klimaanlagen verwendet, um eine energieeffiziente Klimatisierung des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Im Betrieb der Fluidverdichters 10 in Verbindung mit einer Klimaanlage gelangt über den Saugstutzen 23 das Kältemittel in den Triebwerksraum 16. Ein Pfad des Kältemittels ist in 2 als Fluidstrom 30 gekennzeichnet. Das Kältemittel durchströmt die Wicklungen des Elektromotors 12 und gelangt anschließend über einen Ansaugtrakt, beispielsweise Ventile in dem Zylinderblock oder in den Kolben 18, 19, in die Zylinderkammern 20, 21. Bei der Durchströmung des Triebwerkraums 16 und des Ansaugtrakts vermischt sich das Kältemittel mit Schmiermittel, welches im Betrieb des Fluidverdichters 10 durch die Rotations- und Translationsbewegungen der Bauteile aufgewirbelt wird. In den Zylinderkammern 20, 21 wird das Kältemittel verdichtet und in den Zyklonabscheider 25 ausgeschoben. In dem Zyklonabscheider 25 wird das Prinzip der Zentrifugalkraft ausgenutzt. Das verdichtete Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch wird dabei tangential in die zylindrische Öffnung des Zyklonabscheiders 25 geführt, wodurch dem Gemisch eine tangentiale Bahnbewegung aufgezwungen wird. Die Schmiermittelpartikel mit höherer spezifischer Masse als das Kältemittel werden dabei von dem Kältemittel getrennt und an der Wand des Zyklonabscheiders 25 abgeschieden. Das Kältemittel tritt über das Tauchrohr 16 und über den Druckstutzen 24 aus dem Fluidverdichter 10 aus. Durch die Schwerkraft fließt das Schmiermittel nach unten ab und wird über die Schmiermittelrückführung 27 in die Schmiermitteldrossel 28 geführt und dort wird der Volumenstrom des Schmiermittels verringert. Die Schmiermitteldrossel 28 kann als variable einstellbare Schmiermitteldrossel ausgebildet sein.
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Das abgeschiedene Schmiermittel wird über die Schmiermittelführung 29 dem Lager 15 zugeführt, welches ein mechanisch radial wellenseitig gedichtetes Lager sein kann. Das Lager 15 kann beispielsweise über einen Radialwellendichtring vom Triebwerksraum 16 getrennt sein, sodass ein Druckgefälle zwischen dem Triebwerksraum und dem Lager 15 bzw. der Schmiermittelführung 29 besteht. Das Schmiermittel wird weiterhin über die Längsöffnung 34 in der Antriebswelle 13, welche beispielsweise als eine axiale Bohrung ausgeführt sein kann, zu dem Lager 14 geführt. Dies wird in der 2 durch den Schmiermittelstrom 31 gezeigt. Auf der Höhe der Schrägscheibe 17 befinden sich die radialen Öffnungen 33, beispielsweise radiale Bohrungen in der Antriebswelle 13, um einen schmierintensiven Reibkontakt zwischen den Kolben 18, 19 und der Schrägscheibe 17 ausreichend mit Schmiermittel zu versorgen. Ein entsprechender Schmiermittelstrom 32 ist in 2 gezeigt. Die radialen Öffnungen 33 im Bereich der Schrägscheibe 17 sind so dimensioniert, dass noch eine ausreichende Druckdifferenz zwischen der Antriebswelle 13 und dem Triebwerksraum 16 besteht und das Schmiermittel in dem Fluidverdichter 10 zirkulieren kann.
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Der Fluidverdichter 10 wird durch das über den Saugstutzen 23 zugeführte Kältemittel gekühlt. Das am Saugstutzen 23 eintretende Kältemittel überströmt den Bereich des Gehäuses 11, an welchem die Steuerelektronik 22 angeflanscht ist und durchströmt weiter den Elektromotor 12. Dadurch werden die Steuerelektronik 22 und der Elektromotor 12 gekühlt. Über den Triebwerksraum 16 gelangt das Kältemittel in die Zylinderkammern 20, 21 und wird dort verdichtet und über den Zyklonabscheider 25 ausgeschoben. Ferner wird durch das über den Saugstutzen 23 zugeführte Kältemittel auch das Schmiermittel in dem Triebwerksraum 16 gekühlt. Das Kältemittel vermischt sich dabei mit dem Schmiermittel im Triebwerksraum 16. Das Schmiermittel wird dadurch auch in die Zylinderkammern 20, 21 befördert und steht somit auch zur Schmierung der Kolben 18, 19 in den Zylinderkammern 20, 21 zur Verfügung.
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Als Kältemittel kann beispielsweise Kohlendioxid verwendet werden. Daher ist ein sehr hoher Druck erforderlich. Der Druck am Druckstutzen 24 beträgt beispielsweise 130 bar und der Druck am Saugstutzen 23 beträgt beispielsweise 30 bar. Dadurch ist der Druck an den Reibflächen zwischen der Schrägscheibe 17 und den Kolben 18, 19 ebenfalls sehr hoch. Durch die radialen Öffnungen 33 für den Schmiermittelstrom 32 kann eine ausreichende Schmierung dieser Gleitflächen sichergestellt werden. Der Zyklonabscheider 25 in Verbindung mit der Schmiermitteldrossel 28 kann einen gewünschten begrenzten Volumenstrom von rückgeführtem Schmiermittel sicherstellen. Zwischen der Schmiermittelrückführung 27 und der Schmiermitteldrossel 28 kann ein Sieb vorgesehen sein, um die Schmiermitteldrossel 28 vor Partikeln zu schützen. Die Kolben 18, 19 können jeweils eine Kolbengabel zur Führung an der Schrägscheibe 17 aufweisen.
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3 zeigt den Fliehkraftabscheider oder Zyklonabscheider 25 im Detail. In einem Gehäuseteil 60 des Gehäuses 11 ist ein Hochdruckraum 61 vorgesehen, in welchen die Zylinder 18, 19 ein verdichtete Gemisch 63 aus Kältemittel und Schmiermittel aus den Zylinderkammern 20, 21 ausstoßen. Über eine oder mehrere Öffnungen 62 gelangt das Gemisch 63 in den Fliehkraftabscheider 25. Wie in 3 gezeigt ist, wird das Gemisch 63 tangential in einen zylindrischen Hohlraum des Fliehkraftabscheiders 25 eingeleitet, sodass sich das Gemisch 63 spiralförmig in dem Fliehkraftabscheider 25 nach unten bewegt. Dabei wird das schwerere Schmiermittel durch die Fliehkraft an die Außenwände des Fliehkraftabscheiders 25 geschleudert und läuft, wie in 3 durch die Schmiermittelpfeile 64 gezeigt wird, nach unten ab. Das Kältemittel hingegen wird durch das Tauchrohr 26 nach oben abgeleitet, wie durch die Kältemittelpfeile 65 in 3 gezeigt wird.
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4 zeigt eine teilweise Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Fluidverdichters 10. Der in 4 gezeigte Fluidverdichter 10 entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Fluidverdichter 10. 4 zeigt die Kopplung zwischen der Schrägscheibe 17 und dem Kolben 18 im Detail. Die Schrägscheibe 17 ist wiederum mit der Welle 13 gekoppelt. Der Kolben 18 weist einen gabelförmigen Mitnehmer 71 auf, welcher einen Rand der Schrägscheibe 17 umfasst. Zwischen dem Mitnehmer 71 und der Schrägscheibe 17 sind Gleitsteine 70 vorgesehen. Dieser Kontaktbereich benötigt eine gute Schmierung, um einen vorzeitigen Verschließ der Gleitsteine zu verhindern. Dies kann durch die radialen Öffnungen 33 sichergestellt werden.
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Ferner zeigt 4 Details der Schmiermitteldrossel 28. Schmiermittel, welches von dem Fliehkraftabscheider 25 abgeschieden wird, wird durch die Schmiermitteldrossel 28 zur Schmierung von Komponenten in den Triebwerksraum 16 des Fluidverdichters 10 zurückgeführt, wie es durch den Schmiermittelpfeil 64 in 4 gezeigt wird. Die Schmiermitteldrossel 28 kann beispielsweise einen zylindrischen Körper mit einer spiralförmig umlaufenden Nut umfassen. Dadurch erhöht sich der Fließwiderstand des Schmiermittels, wodurch die Durchflussmenge gezielt verringert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fluidverdichter
- 11
- Gehäuse
- 12
- Elektromotor
- 13
- Welle
- 14, 15
- Lager
- 16
- Triebwerksraum
- 17
- Schrägscheibe
- 18, 19
- Verdichterkolben
- 20, 21
- Zylinderkammer
- 22
- Steuerelektronik
- 23
- Fluideingang des Verdichters, Saugstutzen
- 24
- Fluidausgang des Verdichters, Druckstutzen
- 25
- Fliehkraftabscheider
- 26
- Tauchrohr
- 27
- Schmiermittelrückführung
- 28
- Schmiermitteldrossel
- 29
- Schmiermittelführung
- 30
- Fluidstrom
- 31, 32
- Schmiermittelstrom
- 33
- radiale Öffnung
- 34
- Längsöffnung
- 50
- Fahrzeug
- 51
- Kühlsystem
- 52
- Verdampfer
- 53
- Fluideingang des Verdampfers
- 54
- Fluidausgang des Verdampfers
- 55, 56
- Leitung
- 60
- Gehäuseteil
- 61
- Hochdruckraum
- 62
- Öffnung
- 63
- Gemisch
- 64
- Schmiermittelpfeil
- 65
- Kältemittelpfeil
- 70
- Gleitstein
- 71
- Mitnehmer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69923627 T2 [0003]
- US 6129532 A [0006, 0006]
- DE 10322352 A1 [0033]