Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere Scrollverdichter oder Scrollexpander, mit einer Hochdruckkammer, einer Niederdruckkammer und einer orbitierenden Verdrängerspirale, die in eine Gegenspirale derart eingreift, dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale Kammern gebildet werden, um ein Arbeitsmedium aufzunehmen, wobei zwischen der Niederdruckkammer und der Verdrängerspirale eine

Gegendruckkammer ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine, insbesondere einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine. Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeugklimaanlage sowie ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen

Verdrängermaschine.

Scrollverdichter und/oder Scrollexpander sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Diese umfassen eine Hochdruckkammer, eine

Niederdruckkammer und eine orbitierende Verdrängerspirale. Die orbitierende Verdrängerspirale greift, wie dies beispielsweise in EP 2 806 164 AI dargestellt ist, in eine Gegenspirale derart ein, dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale Kammern gebildet werden, um ein Arbeitsmedium aufzunehmen. Zwischen der Niederdruckkammer und der Verdrängerspirale ist ein

Aufnahmeraum, nämlich eine Gegendruckkammer ausgebildet. Eine derartige Gegendruckkammer ist auch unter dem Begriff Back-Pressure-Raum bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip derart weiterzubilden, dass der Druck in der Gegendruckkammer auf variable Betriebspunkte eingestellt und/oder äußerst exakt eingestellt werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein weiterentwickeltes Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip anzugeben. Außerdem besteht die Aufgabe darin, eine Fahrzeugklimaanlage und/oder ein Fahrzeug mit einer weiterentwickelten Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip durch den Gegenstand des Patentanspruches 1, im

Hinblick auf das Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine durch den Gegenstand des Patentanspruches 13 oder 14, im Hinblick auf die

Fahrzeugklimaanlage durch den Gegenstand des Patentanspruches 17 und im Hinblick auf das Fahrzeug durch den Gegenstand des Patentanspruches 19 und/oder durch den Gegenstand des Patentanspruches 20 gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen

Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip bzw. des erfindungsgemäßen

Verfahrens zum Betreiben einer Verdrängermaschine bzw. der erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter oder einen Scrollexpander, mit einer Hochdruckkammer, einer Niederdruckkammer und einer orbitierenden Verdrängerspirale, die in eine Gegenspirale derart eingreift, dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale Kammern gebildet werden, um ein Arbeitsmedium aufzunehmen, anzugeben. Zwischen der Niederdruckkammer und der Verdrängerspirale ist eine Gegendruckkammer ausgebildet.

Erfindungsgemäß ist eine mit der Gegendruckkammer fluidverbundene

Druckregeleinrichtung ausgebildet, die mittels eines von einer Recheneinheit vorgegebenen Sollwerts eine Druckdifferenz zwischen der Gegendruckkammer und der Niederdruckkammer einstellt. Mit Hilfe der Druckregeleinrichtung und eines von einer Recheneinheit vorgegebenen Sollwerts kann somit ein Druck in der Gegendruckkammer auf variable Betriebspunkte eingestellt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung werden zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale radial nach innen wandernde Kammern gebildet, um ein Arbeitsmedium, insbesondere ein Kältemittel, aus der Niederdruckkammer aufzunehmen, insbesondere anzusaugen, zu verdichten und in die

Hochdruckkammer auszustoßen. Die Verdrängermaschine arbeitet gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung insbesondere als Scrollverdichter. Diese

Verdrängermaschine ist mit anderen Worten ein Scrollkompressor. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zwischen der

Verdrängerspirale und der Gegenspirale radial nach außen wandernde Kammern gebildet, um ein Arbeitsmedium, insbesondere ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Wärmemittel, aus der Hochdruckkammer aufzunehmen, zu expandieren und in die Niederdruckkammer auszuschieben. Gemäß dieser dargestellten Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip

insbesondere als Scrollexpander. Die beschriebene Arbeitsweise bzw. der beschriebene Prozess im Zusammenhang mit einem Scrollexpander kann auch als Clausius-Rankine-Prozess bezeichnet werden. Der mit Hilfe der

erfindungsgemäßen Verdrängermaschine durchführbare Prozess ist auch als Organic Rankine Cycle (ORC) bekannt, wobei der organische Bestandteil z. B. Ethanol sein kann.

Die Druckregeleinrichtung umfasst vorzugsweise ein elektrisch ansteuerbares Regelventil . Des Weiteren ist es möglich, dass die Druckregeleinrichtung ein elektrisch ansteuerbares Regelventil sowie eine Drossel umfasst. Es ist möglich, dass ein/das elektrisch ansteuerbare Regelventil die Gegendruckkammer mit der Hochdruckkammer oder der Niederdruckkammer fluidverbindet. Mit anderen Worten ist die Gegendruckkammer mittels des elektrisch ansteuerbaren

Regelventils entweder mit der Hochdruckkammer oder der Niederdruckkammer je nach Ausbildung der Verdrängermaschine fluidverbunden.

Das elektrisch ansteuerbare Regelventil umfasst vorzugsweise eine verschiebbare Ventilnadel, die elektromagnetisch ansteuerbar ist. Die verschiebbare Ventilnadel kann auch als verschiebbarer Stößel bezeichnet werden. Die verschiebbare Ventilnadel stellt zu einem Gehäuse des elektrisch ansteuerbaren Regelventils beispielsweise einen Ringspalt ein, so dass mittels des Ringspaltes eine

Fluidverbindung von der Gegendruckkammer zur Hochdruckkammer oder von der Gegendruckkammer zur Niederdruckkammer gebildet ist. Die Ventilnadel ist vorzugsweise in einer Magnetspule angeordnet, so dass durch einen auf die Magnetspule wirkenden Steuerstrom die elektromagnetische Kraft auf die

Ventilnadel einstellbar ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektrisch ansteuerbare

Regelventil derart in der Verdrängermaschine angeordnet, dass das Regelventil die Gegendruckkammer und die Niederdruckkammer fluidverbindet, wobei zwischen der Hochdruckkammer und der Gegendruckkammer eine von der Druckregeleinrichtung umfasste Drossel angeordnet ist.

In dieser Ausführungsform der Erfindung bewirkt die Drossel bei der Ausbildung der Verdrängermaschine als Scrollverdichter, dass das aus der Hochdruckkammer und in die Gegendruckkammer strömende Arbeitsmedium zunächst hinsichtlich des Druckes reduziert wird. Ausgehend von der Gegendruckkammer kann das Arbeitsmedium mittels des elektrisch ansteuerbaren Regelventils in die

Niederdruckkammer strömen.

In einer weiteren und/oder alternativen Ausführungsform der Erfindung ist ein/das elektrisch ansteuerbare Regelventil derart angeordnet, dass das

Regelventil die Hochdruckkammer und die Gegendruckkammer fluidverbindet, wobei zwischen der Gegendruckkammer und der Niederdruckkammer eine/die Drossel angeordnet ist.

Sofern die Verdrängermaschine als Scrollverdichter ausgebildet ist, bewirkt das elektrisch ansteuerbare Regelventil eine Fluidverbindung zwischen der

Hochdruckkammer und der Gegendruckkammer, so dass das Arbeitsmedium von der Hochdruckkammer in die Gegendruckkammer strömen kann. Mit Hilfe des elektrisch ansteuerbaren Regelventils, insbesondere durch das Einstellen eines Ringspalts zwischen einer verschiebbaren Ventilnadel und einem

Gehäuseabschnitt, kann das Strömen des Arbeitsmediums von der Hochdruckseite zur Gegendruckkammer eingestellt werden.

Vorzugsweise ist die Verdrängerspirale relativ zur Gegenspirale in axialer

Richtung beweglich. Somit ist die orbitierende, also die drehbar bewegliche Verdrängerspirale zusätzlich in axialer Richtung beweglich. Hierbei kann die Verdrängerspirale in Richtung der Gegenspirale und von der Gegenspirale weg bewegt werden. Vorzugsweise ist die Gegenspirale vollständig fest in die

Verdrängermaschine eingebaut. Mit anderen Worten ist die Gegenspirale weder in axialer Richtung beweglich noch drehbar beweglich.

Ein von der Verdrängerspirale auf die Gegenspirale in axialer Richtung wirkender Anpressdruck ist vorzugsweise durch den in der Gegendruckkammer

herrschenden Druck einstellbar. Mit anderen Worten wird die Bewegung der Verdrängerspirale in axialer Richtung vorzugsweise durch den in der Gegendruckkammer herrschenden Druck bewirkt. In Abhängigkeit von dem in der Gegendruckkammer herrschenden Druck kann ein von der Verdrängerspirale auf die Gegenspirale in axialer Richtung wirkender Anpressdruck eingestellt werden. Die erfindungsgemäße Verdrängermaschine kann als elektrisch und/oder elektromotorisch angetriebene Verdrängermaschine oder als Verdrängermaschine mit mechanischem Antrieb ausgebildet sein.

Bei dem Arbeitsmedium kann es sich beispielsweise um C0 ₂ und/oder R134a und/oder R1234yf und/oder Butan und/oder Ethanol und/oder Cyclopentan handeln.

Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine, insbesondere zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, wie diese vorher beschrieben wurde. Das Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine umfasst erfindungsgemäß die Schritte: a) Ermitteln eines Druckwerts P _D in einem Hochdruckbereich der

Verdrängermaschine oder in einem Hochdruckbereich eines Systems, in dem die Verdrängermaschine eingebaut ist, b) Weiterleiten des ermittelten Druckwerts P _D an eine Recheneinheit, c) Festlegen eines Druckdifferenzwertes Δ P _B zwischen einem in einer

Gegendruckkammer herrschenden Gegendruck P _B und einem in einer

Niederdruckkammer herrschenden Niederdruck P _s anhand einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds mit Hilfe des ermittelten Druckwerts P _D , wobei die Kennlinie und/oder das Kennfeld in der Recheneinheit gespeichert ist, d) Ansteuern einer Druckregeleinrichtung, insbesondere eines elektrisch

ansteuerbaren Regelventils, durch einen Steuerstrom auf eine Magnetspule und selbstständiges Einregeln des Druckdifferenzwertes Δ P _B durch das elektrische Regelventil . Bei dem Hochdruckbereich der Verdrängermaschine kann es sich beispielsweise um eine Hochdruckkammer der Verdrängermaschine handeln. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass der Druckwert P _D in einem Hochdruckbereich eines Systems, wie z. B. einer Klimaanlage und/oder einem Fahrzeug, in dem die

Verdrängermaschine eingebaut ist, ermittelt bzw. gemessen wird. Eine

erfindungsgemäße Verdrängermaschine kann entsprechend des beschriebenen Verfahrens in einem Hochdruckbereich, insbesondere der Hochdruckkammer, einen Sensor zur Erfassung des Druckwertes in der Hochdruckkammer aufweisen.

Anhand des ermittelten Druckwertes P _D kann anhand einer Kennlinie und/oder anhand eines Kennfelds ein Druckdifferenzwert Δ P _B festgelegt werden. Mit anderen Worten ist einem ermittelten Druckwert P _D in einer Kennlinie und/oder einem Kennfeld ein idealer bzw. ein einzustellender Druckdifferenzwert Δ P _B zugeordnet. Der Druckdifferenzwert Δ P _B ist zwischen der Gegendruckkammer und der Niederdruckkammer ausgebildet.

Mit Hilfe des ermittelten Druckwertes wird mit anderen Worten die

Druckregeleinrichtung, insbesondere das elektrisch ansteuerbare Regelventil, angesteuert. Hierzu wird insbesondere eine Magnetspule des elektrisch

ansteuerbaren Regelventils angesteuert. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen Steuerstrom, der in einer Kennlinie und/oder einem Kennfeld in der Recheneinheit gespeichert ist und an eine Magnetspule angelegt wird .

Aufgrund des Anlegens eines mit dem ermittelten Druckwerts P _D in Relation stehenden Steuerstroms auf eine Magnetspule, ist es möglich, dass der

festgelegte Druckdifferenzwert Δ P _BP selbstständig durch das elektrische

Regelventil eingeregelt werden kann.

Bei dem elektrisch ansteuerbaren Regelventil handelt es sich vorzugsweise um ein sich mechanisch selbstregelndes Ventil. Die mechanische Selbstregelung erfolgt aufgrund einer ausgeglichenen Druckbilanz bzw. mit anderen Worten durch ein ausgeglichenes Kräftegleichgewicht.

Mit Hilfe des festgelegten Druckdifferenzwertes Δ P _B und dem damit

einhergehenden festgelegten Steuerstrom wird auf eine/die Ventilnadel des elektrisch ansteuerbaren Regelventils eine elektromagnetische Kraft eingestellt. Auf die Ventilnadel wirkt neben einer Federkraft und der Kraft bzw. dem Druck der Gegendruckkammer auch die elektromagnetische Kraft durch die

Magnetspule. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer

Verdrängermaschine wird gemäß der dargestellten Ausführungsform vor allen Dingen bei Verdrängermaschinen angewandt, die ein elektrisch ansteuerbares Regelventil aufweisen, das die Gegendruckkammer und die Niederdruckkammer fluidverbindet. Demnach wirkt auf die Ventilnadel auch der Druck bzw. die Kraft der Niederdruckkammer.

Aufgrund des Steuerstroms, mit dem die Magnetspule beaufschlagt wird, wird eine elektromagnetische Kraft eingestellt, die der Kraft der Niederdruckkammer und der Kraft der Gegenkammer entgegensteht. Um zu einer ausgeglichenen Kraftbilanz zu gelangen, regelt das elektrisch ansteuerbare Regelventil selbstständig den Druck der Gegenkammer abhängig vom Druck der

Niederdruckkammer. Ein Durchtrittsquerschnitt, der als Ringfläche zwischen der Ventilnadel und einem Gehäuseabschnitt des Regelventils ausgebildet wird, wird selbstständig durch das elektrisch ansteuerbare Regelventil eingestellt. Der Durchtrittsquerschnitt zwischen dem Druck der Niederdruckkammer und dem Druck der Gegendruckkammer wird mit anderen Worten selbstständig durch das elektrisch ansteuerbare Regelventil eingeregelt.

Ein weiterer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine, insbesondere einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, wie diese vorab beschrieben wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Ermitteln eines Druckwertes P _D in einem Hochdruckbereich der

Verdrängermaschine oder in einem Hochdruckbereich eines Systems, in dem die Verdrängermaschine eingebaut ist, und eines Druckwertes P _s in einer Niederdruckkammer der Verdrängermaschine, b) Weiterleiten der ermittelten Druckwerte P _D und P _s an eine Recheneinheit, c) Festlegen eines Druckdifferenzwertes Δ P _B zwischen einem in einer

Gegendruckkammer herrschenden Gegendruck P _B und einem in der Niederdruckkammer herrschenden Niederdruck P _s anhand einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds mit Hilfe der ermittelten Druckwerte P _D und P _s , wobei die Kennlinie und/oder das Kennfeld in der Recheneinheit gespeichert ist, d) Ansteuern einer Druckregeleinrichtung, insbesondere eines elektrisch ansteuerbaren Regelventils, durch einen Steuerstrom auf eine Magnetspule und selbstständiges Einregeln des Druckdifferenzwertes Δ P _B durch das elektrische Regelventil .

Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit Hilfe einer

erfindungsgemäßen Verdrängermaschine durchgeführt, die ein elektrisch ansteuerbares Regelventil aufweist, das die Hochdruckkammer und die

Gegendruckkammer fluidverbindet, wobei zwischen der Gegendruckkammer und der Niederdruckkammer eine Drossel angeordnet ist. Der ermittelte Druckwert P _D in einem Hochdruckbereich der Verdrängermaschine kann beispielsweise in einer Hochdruckkammer der Verdrängermaschine ermittelt werden. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, dass der Druckwert P _D in einem Hochdruckbereich eines Systems, wie z. B. einem Fahrzeug und/oder einer Klimaanlage, in dem die

Verdrängermaschine eingebaut ist, ermittelt wird.

Die zugehörige erfindungsgemäße Verdrängermaschine kann diesbezüglich in einem Hochdruckbereich der Verdrängermaschine, insbesondere in einer

Hochdruckkammer der Verdrängermaschine, einen Drucksensor zur Ermittlung des Druckwerts P _D aufweisen. Bei dem Druckwert P _D handelt es sich vorzugsweise um den in der Verdrängermaschine herrschenden Hochdruck bzw. um den in dem System, in dem die Verdrängermaschine eingebaut ist, herrschenden Hochdruck.

Bezüglich des in der Niederdruckkammer zu messenden Drucks P _s kann die erfindungsgemäße Verdrängermaschine in der Niederdruckkammer, einen

Drucksensor aufweisen, der den Niederdruck P _s ermittelt. Bei dem Niederdruck P _s handelt es sich somit um den in der Niederdruckkammer herrschenden

Niederdruck. Mit Hilfe der ermittelten Druckwerte P _D und P _s , d . h. mit Hilfe des ermittelten Wertes bezüglich des Niederdrucks P _s und des ermittelten Wertes bezüglich des Hochdrucks P _D wird ein Druckdifferenzwert Δ P _B festgelegt. Der festgelegte Druckdifferenzwert Δ P _B steht in Verbindung mit einem festgelegten Steuerstrom, mit dem eine Magnetspule der Druckregeleinrichtung, insbesondere des elektrisch ansteuerbaren Regelventils, beaufschlagt wird. Auf das Regelventil wirken eine Federkraft, die Kraft bzw. der Druck der Gegendruckkammer sowie die Kraft bzw. der Druck der Hochdruckkammer. Außerdem drückt auf dieses elektrisch ansteuerbare Regelventil eine elektromagnetische Kraft der Magnetspule, wobei die elektromagnetische Kraft durch den Steuerstrom einstellbar ist.

Im Zusammenhang mit beiden nebengeordneten Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine kann vorgesehen sein, dass beim Ansteuern der

Druckregeleinrichtung, insbesondere des elektrisch ansteuerbaren Regelventils, der festgelegte Druckdifferenzwert Δ P _B einer elektrischen Stromstärke zum Ansteuern eines Ventilelements, insbesondere einer Ventilnadel, die in einer Magnetspule angeordnet ist, zugeordnet wird.

Eine/die Magnetspule des Ventilelements wird vorzugsweise mit der elektrischen Stromstärke beaufschlagt, so dass eine auf die Ventilnadel wirkende

elektromagnetische Kraft eingestellt wird . Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer

Verdrängermaschine ist es möglich, den Druck in der Gegendruckkammer auf variable Betriebspunkte einzustellen. Der Druck kann insbesondere sehr genau nach Vorgabe eingestellt werden. Dies erfolgt insbesondere durch Einstellen des Druckdifferenzwertes zwischen der Gegendruckkammer und der

Niederdruckkammer.

Ein weiterer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft eine

Fahrzeugklimaanlage mit einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Scrollverdichter. Es ergeben sich ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit der

erfindungsgemäßen Verdrängermaschine und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine angegeben sind.

Die Fahrzeugklimaanlage enthält Kältemittel, wobei es sich bei diesem Kältemittel beispielsweise um C0 ₂ und/oder R134a und/oder R1234yf und/oder Butan und/oder Ethanol und/oder Wasser handelt.

Als Kältemittel kann insbesondere Hydrofluorocarbon (H FC) zum Einsatz kommen. Bei R134a handelt es sich um ein typisches Hydrofluorocarbon. Des Weiteren ist es möglich, dass Hydrofluorooleofin (H FO) als Kältemittel verwendet wird.

Beispielhaft wird diesbezüglich auf R1234yf verwiesen. Auch Hydrocarbon (HC) kann als Kältemittel in einer Fahrzeugklimaanlage zum Einsatz kommen. Typische Hydrocarbone sind Propan bzw. Butan. Bei dem ebenfalls angegebenen C0 ₂ , Ethanol bzw. Wasser handelt es sich um eigenständige Arbeitsmedien.

Ein weiterer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen

Verdrängermaschine und/oder mit einer erfindungsgemäßen

Fahrzeugklimaanlage. Es ergeben sich ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine und/oder im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage angegeben sind . Insbesondere handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug um ein elektrisches Hybridfahrzeug .

Ein weiterer nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere einen Lastkraftwagen, mit einer erfindungsgemäßen

Verdrängermaschine, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Scrollexpander. Es ergeben sich ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verdrängermaschine angegeben sind . Im Bereich von Lastkraftwagen sind Scrollexpander vorzugsweise im Zusammenhang mit einer Abgasrückgewinnung bzw. Energierückgewinnung einzusetzen. Hierbei ist es möglich, sowohl Scrollexpander mit mechanischem Antrieb als auch elektrisch und/oder elektromotorisch angetriebene Scrollexpander zu verwenden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter

Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Darin zeigen Fig . 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, insbesondere eines Scrollverdichters gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig . 2 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, insbesondere eines Scrollverdichters gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel; Fig . 3 einen Längsschnitt durch ein elektrisch ansteuerbares Regelventil; und

Fig . 4 eine Prinzipdarstellung bezüglich einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer

Verdrängermaschine.

Nachfolgend werden im Detail zwei Ausführungsbeispiele hinsichtlich einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine dargestellt, wobei es sich in den dargestellten Ausführungsbeispielen um Scrollverdichter handelt. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Verdrängermaschine auch als

Scrollexpander ausgebildet sein kann und als Scrollexpander betrieben werden kann. Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben

Bezugsziffern verwendet.

Der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 im Detail beschriebene

Scrollverdichter 10 kann beispielsweise als Verdichter einer Fahrzeugklimaanlage wirken. Eine Fahrzeugklimaanlage, wie z. B. eine C0 ₂ -Fahrzeugklimaanlage, weist typischerweise einen Gaskühler, einen inneren Wärmetauscher, eine Drossel, einen Verdampfer und einen Verdichter auf. Der Verdichter kann demnach der abgebildete Scrollverdichter 10 sein. Bei dem Scrollverdichter 10 handelt es sich mit anderen Worten um eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip.

Der dargestellte Scrollverdichter weist einen mechanischen Antrieb 11 in Form einer Riemenscheibe auf. Die Riemenscheibe ist im Gebrauch mit einem

Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor verbunden. Alternativ ist es möglich, dass der Scrollverdichter 10 elektrisch oder elektromotorisch

angetrieben wird.

Der Scrollverdichter 10 umfasst außerdem ein Gehäuse 20 mit einem oberen Gehäuseteil 21, das die Hochdruckseite des Scrollverdichters 10 verschließt. Im Gehäuse 20 ist eine Gehäusezwischenwand 22 ausgebildet, die eine

Niederdruckkammer 30 begrenzt. Die Niederdruckkammer 30 kann auch als Saugraum bezeichnet werden. Im Gehäuseboden 23 ist eine Durchtrittsöffnung ausgebildet, durch die sich eine Antriebswelle 12 erstreckt. Das außerhalb des Gehäuses 20 angeordnete Wellenende 13 ist drehfest mit einem Mitnehmer 14 verbunden, der in die am Gehäuse 20 drehbar gelagerte Riemenscheibe eingreift, so dass von der Riemenscheibe ein Drehmoment auf die Antriebswelle 12 übertragen werden kann.

Die Antriebswelle 12 ist einerseits im Gehäuseboden 23 und andererseits in der Gehäusezwischenwand 22 drehbar gelagert. Die Abdichtung der Antriebswelle 12 gegen den Gehäuseboden 23 erfolgt durch eine erste Wellendichtung 24 und gegen die Gehäusezwischenwand 22 durch eine zweite Wellendichtung 25.

Der Scrollverdichter 10 umfasst des Weiteren eine bewegliche, insbesondere orbitierende, Verdrängerspirale 31 und eine Gegenspirale 32. Die

Verdrängerspirale 31 und die Gegenspirale 32 greifen ineinander ein. Die

Gegenspirale 32 steht vorzugsweise sowohl in Umfangsrichtung als auch in radialer Richtung fest. Die mit der Antriebswelle 12 gekoppelte bewegliche Verdrängerspirale 31 beschreibt eine kreisförmige Bahn, so dass in an sich bekannter Weise durch diese Bewegung mehrere Gastaschen oder Gaskammern erzeugt werden, die zwischen der Verdrängerspirale 31 und der Gegenspiral 32 radial nach innen wandern. Durch diese orbitierende Bewegung wird

Arbeitsmedium, insbesondere ein Kältemittel, angesaugt und mit der weiteren Spiralbewegung und der damit einhergehenden Verkleinerung der Gaskammer verdichtet. Das Arbeitsmedium, insbesondere das Kältemittel, wird von radial außen nach radial innen, beispielsweise linear zunehmend verdichtet und im Zentrum der Gegenspirale 32 in die Hochdruckkammer 40 ausgestoßen.

Um eine orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale 31 zu erzeugen, ist ein Exzenterlager 26 ausgebildet, das mit der Antriebswelle 12 durch einen

Exzenterstift 27 verbunden ist. Das Exzenterlager 26 und die Verdrängerspirale 31 sind exzentrisch bezogen auf die Gegenspirale 32 angeordnet. Die

Gaskammern sind durch Anlage der Verdrängerspirale 31 an die Gegenspirale 32 voneinander druckdicht getrennt. Der radiale Anpressdruck zwischen der

Verdrängerspirale 31 und der Gegenspirale 32 wird durch die Exzentrizität eingestellt. Um eine Rotationsbewegung der Verdrängerspirale 31 zu vermeiden, können Führungsstifte und Führungsbohrungen ausgebildet sein. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Scrollverdichter sind kupplungslos. Um trotzdem die Leistung des Verdichters verändern zu können, ist der

Scrollverdichter zu- und abschaltbar. Dazu ist vorgesehen, dass die

Verdrängerspirale 31 in axialer Richtung, d . h. in einer Richtung parallel zur Antriebswelle 12 beweglich ist. Damit kann die Verdrängerspirale 31 in Richtung der Gegenspirale 32 geschoben werden. Sofern die Verdrängerspirale 31 nicht auf der Gegenspirale 32 aufliegt, wird eine Offenstellung des Scrollverdichters 10 gebildet. In dieser Offenstellung entsteht ein Druckausgleichsspalt zwischen der Verdrängerspirale 31 und der Gegenspirale 32, der die in radialer Richtung voneinander getrennten Gaskammern zwischen der Verdrängerspirale 31 und der Gegenspirale 32 verbindet. Durch einen derartig gebildeten Druckausgleichsspalt strömt verdichtetes Gas aus den weiter innen angeordneten Kammern radial nach außen, wodurch ein Druckausgleich stattfindet. Die Leistung des

Scrollverdichters 10 wird dadurch auf null oder zumindest nahezu auf null gesenkt.

Der Gegenspirale 32 ist in Strömungsrichtung die Hochdruckkammer 40

nachgeordnet und steht mit der Gegenspirale 32 in Fluidverbindung durch einen nichtdargestellten Auslass. Der Auslass ist vorzugsweise nicht exakt im

Mittelpunkt der Gegenspirale 32 angeordnet, sondern befindet sich außermittig im Bereich einer innersten Kammer zwischen der Verdrängerspirale 31 und der Gegenspirale 32. Dadurch wird erreicht, dass der Auslass von der Lagerbuchse 28 des Exzenterlagers 26 nicht abgedeckt wird und das endverdichtete

Arbeitsmedium, insbesondere das endverdichtete Kältemittel, in die

Hochdruckkammer 40 ausgestoßen werden kann.

Die Rückwand 33 der Gegenspirale 32 bildet abschnittsweise den Boden der Hochdruckkammer 40. Die Rückwand 33 ist breiter als die Hochdruckkammer 40. Die Hochdruckkammer 40 wird seitlich von der Seitenwand 41 begrenzt. In einem zu der Rückwand 33 der Gegenspirale 32 weisenden Ende der Seitenwand 41 ist eine Ausnehmung 42 ausgebildet, in der ein Dichtring 43 angeordnet ist. Die Seitenwand 41 ist eine Umfangswand, die einen Anschlag der Gegenspirale 32 bildet. Die Hochdruckkammer 40 ist im oberen Gehäuseteil 21 ausgebildet. Diese weist einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf.

Das in der Hochdruckkammer 40 gesammelte verdichtete Arbeitsmedium strömt durch einen Auslass 44 aus der Hochdruckkammer 40 in einen Ölabscheider 45, der vorliegend als Zyklon-Abscheider ausgebildet ist. Das verdichtete

Arbeitsmedium, insbesondere das verdichtete Kältemittel, strömt durch den Ölabscheider 45 und die Öffnung 46 in den Kreislauf der beispielhaften

Klimaanlage.

Die Axialführung der Verdrängerspirale 31 in Richtung der Gegenspirale 32 oder in entgegengesetzte Richtung wird dadurch verwirklicht, dass eine Rückwand 34 der Verdrängerspirale 31 mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt wird. Dazu ist eine Gegendruckkammer 50, die auch als Back-Pressure-Raum

bezeichnet werden kann, mit der Hochdruckseite des Scrollverdichters 10, insbesondere mit der Hochdruckkammer 40, fluidverbunden. In der

Gegendruckkammer 50 ist das Exzenterlager 26 befindlich.

Die Gegendruckkammer 50 wird durch die Rückwand 34 der Verdrängerspirale 31 und durch die Gehäusezwischenwand 22 begrenzt.

Die Gegendruckkammer 50 ist durch die bereits beschriebene zweite

Wellendichtung 25 von der Niederdruckkammer 30 fluiddicht getrennt. Ein Dicht- und Gleitring 29 sitzt in einer Ringnut in der Gehäusezwischenwand 22. Zwischen der Gehäusezwischenwand 22 und der Verdrängerspirale 31 ist ein (nicht dargestellter) Spalt ausgebildet. Die Verdrängerspirale 31 stützt sich deshalb in axialer Richtung nicht direkt auf der Gehäusezwischenwand 22 sondern auf dem Dicht- und Gleitring 29 ab und gleitet auf diesem. Die bisherigen Erläuterungen beziehen sich auf einen Scrollverdichter 10, sowohl gemäß des in Fig . 1 gezeigten Ausführungsbeispiels als auch gemäß des in Fig. 2 abgebildeten Ausführungsbeispiels.

In Fig . 1 ist außerdem dargestellt, dass eine Druckregeleinrichtung 60 mit der Gegendruckkammer 50 fluidverbunden ist. Mit Hilfe der Druckregeleinrichtung 60 ist eine Druckdifferenz zwischen der Gegendruckkammer 50 und der

Niederdruckkammer 30 einstellbar. Die Druckregeleinrichtung 60 umfasst ein elektrisch ansteuerbares Regelventil 61. Das elektrisch ansteuerbare Regelventil stellt eine Fluidverbindung zwischen der Gegendruckkammer 50 und der

Niederdruckkammer 30 her. Das elektrisch ansteuerbare Regelventil 61 ist in der Fig. 3 näher dargestellt. Zwischen der Hochdruckkammer 40 und der Gegendruckkammer 50 ist die Drossel 62 angeordnet. Die Druckregeleinheit 60 umfasst demnach die Drossel 62 und das elektrisch ansteuerbare Regelventil 61. Die Gegendruckkammer 50 ist an die Hochdruckseite, insbesondere an die Hochdruckkammer 40, des

Scrollverdichters 10 angeschlossen. Über einen ersten Leitungsabschnitt 51 und einen zweiten Leitungsabschnitt 52 ist die Gegendruckkammer 50 mit dem

Ölabscheider 45 verbunden. Zwischen dem ersten Leitungsabschnitt 51 und dem zweiten Leitungsabschnitt 52 ist die Drossel 62 ausgebildet. Der erste

Leitungsabschnitt 51 ist im Gehäuse 20, insbesondere im oberen Gehäuseteil 21 ausgebildet. Der zweite Leitungsabschnitt 52 ist abschnittsweise ebenfalls im Gehäuse 20, insbesondere in der Umfangswandung 15 ausgebildet.

Der letzte Abschnitt des zweiten Leitungsabschnitts, d. h. der Abschnitt des zweiten Leitungsabschnitts 52, der in der Gegendruckkammer 50 endet, ist als Durchgang in der Gehäusezwischenwandung 22 ausgebildet. Mit Hilfe des in der Gegendruckkammer 50 befindlichen Arbeitsmediums, insbesondere abhängig vom dort herrschenden Druck, kann die Verdrängerspirale 31 in Richtung der

Gegenspirale 32 axial bewegt werden. Der von der Verdrängerspirale 31 auf die Gegenspirale 32 in axialer Richtung wirkende Anpressdruck ist durch den in der Gegendruckkammer 50 herrschenden Druck einstellbar.

Hierzu ist zusätzlich das Regelventil 61 vorgesehen. Dieses ist ebenfalls in der Umfangswandung 15 des Gehäuses 20 ausgebildet. Ein erster Ableitungsabschnitt 53 ist wiederum in der Gehäusezwischenwand 22 ausgebildet. Der erste

Ableitungsabschnitt 53 endet mittels eines in der Umfangswandung 15

ausgebildeten Leitungsabschnitts in dem elektrisch ansteuerbaren Regelventil 61. In der Umfangswandung 15 ist außerdem ein zweiter Ableitungsabschnitt 54 ausgebildet, der eine Verbindung zwischen dem Regelventil 61 und der

Niederdruckkammer 30 herstellt.

Um den in der Gegendruckkammer 50 herrschenden Druck zu regeln und/oder um den in der Gegendruckkammer 50 herrschenden Druck auf variable

Betriebspunkte einzustellen, wird im Hochdruckbereich des Scrollverdichters 10, insbesondere in der Hochdruckkammer 40, zunächst der Druckwert P _D ermittelt. Dieser Wert wird anschließend an eine Recheneinheit weitergeleitet. Anhand des ermittelten Druckwertes P _D wird in der Recheneinheit ein Druckdifferenzwert Δ P _B p, der zwischen dem in der Gegendruckkammer 50 herrschenden Gegendruck P _B p und dem in der Niederdruckkammer 30 herrschenden Niederdruck P _s wirkt, festgelegt. Dies erfolgt vorzugsweise anhand einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds mit Hilfe des ermittelten Druckwerts P _D . Die Kennlinie und/oder das Kennfeld ist in der Recheneinheit gespeichert.

Die Druckregeleinrichtung 60, insbesondere das elektrisch ansteuerbare

Regelventil wird anschließend anhand des festgelegten Druckdifferenzwertes Δ P _B angesteuert. Dies erfolgt durch einen Steuerstrom auf die Magnetspule 63 des Regelventils 61.

Der festgelegte Druckdifferenzwert Δ P _B ist einer elektrischen Stromstärke zum Ansteuern des Ventilelements 61 zugeordnet, so dass eine auf eine Ventilnadel 64 wirkende elektromagnetische Kraft eingestellt werden kann. Auf die Ventilnadel 64 wirkt sowohl die von einer Feder (siehe hierzu Fig. 3) ausgehende Federkraft, als auch die Kraft bzw. der Druck der

Gegendruckkammer 50, sowie die Kraft bzw. der Druck der

Niederdruckkammer 30. Zusätzlich wirkt auf die Ventilnadel 64 die durch die Magnetspule 63 generierte elektromagnetische Kraft.

Durch den auf die Magnetspule 63 wirkenden Steuerstrom wird eine

elektromagnetische Kraft eingestellt, die dem Druck der Gegendruckkammer 50 und dem Druck der Niederdruckkammer 30 entgegensteht. Das Regelventil 61 regelt sich durch eine ausgeglichene Druckbilanz bzw. durch ein

Kräftegleichgewicht selbstständig . Um eine ausgeglichene Kraftbilanz zu erlangen, regelt das Ventil 61 selbstständig den Druck der Gegendruckkammer 50 abhängig von der Kraft bzw. dem Druck, der in der Niederdruckkammer 30 herrscht. Hierzu wird ein Durchtrittsquerschnitt bzw. eine Ringfläche zwischen der Ventilnadel 64 und dem Gehäuse 65 des Regelventils 61 eingestellt (siehe hierzu Fig . 3).

In Fig . 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Scrollverdichters 10 dargestellt. Dieser Scrollverdichter 10 weist ebenfalls eine Druckregeleinrichtung 60 auf.

Die Druckregeleinrichtung 60 umfasst ebenfalls ein Regelventil 61 sowie eine Drossel 62. Das elektrisch ansteuerbare Regelventil 61 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Hochdruckseite, insbesondere der Hochdruckkammer 40, und der Gegendruckkammer 50 her. Die Fluidverbindung zwischen der Hochdruckkammer 40 und der Gegendruckkammer 50 erfolgt indirekt über dem Ölabscheider 45.

In der Nähe der Öffnung 46 ist hierzu ein erster Leitungsabschnitt 71 ausgebildet. Dieser ist im oberen Gehäuseteil 21 ausgebildet. Es folgt ein zweiter

Leitungsabschnitt 72, der in der Umfangswandung 15 des Gehäuses 20

ausgebildet ist. Über das Regelventil 61 ist die Gegendruckkammer 50 mit einem Arbeitsmedium, insbesondere einem Kältemittel versorgbar, das über den

Ölabscheider 45 aus der Hochdruckkammer 40 in die Gegendruckkammer 50 strömt.

Zwischen dem Regelventil 61 und der Gegendruckkammer 50 ist in der

Gehäusezwischenwand 22 eine Zuleitung 73 ausgebildet. Zwischen der

Niederdruckkammer 30 und der Gegendruckkammer 50 ist hingegen die

Drossel 62 ausgebildet. Zwischen der Gegendruckkammer 50 und der Drossel 62 ist ein Ableitungsabschnitt 74 ausgebildet. Die Fluidverbindung zwischen der Gegendruckkammer 50 und der Niederdruckkammer 30 erfolgt über den

Ableitungsabschnitt 74 sowie die Drossel 62. Auch in dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Druckdifferenz zwischen der Gegendruckkammer 50 und der Niederdruckkammer 30 einstellbar. Hierzu wird ein Druckwert P _D , insbesondere ein Hochdruckwert, in dem

Hochdruckbereich des Scrollverdichters, insbesondere in der Hochdruckkammer 40 des Scrollverdichters 10, ermittelt. Zusätzlich wird der Druckwert,

insbesondere Niederdruck P _S in dem Niederdruckbereich, insbesondere in der Niederdruckkammer 30, des Scrollverdichters 10 ermittelt. Diese beiden Werte werden an eine Recheneinheit weitergeleitet. Der Druckdifferenzwert Δ P _B P zwischen dem in der Gegendruckkammer 50 herrschenden Gegendruck P _B P und dem in der Niederdruckkammer 30 herrschenden Niederdruck P _S kann ebenfalls anhand einer Kennlinie mit Hilfe der ermittelten Druckwerte ermittelt werden. Hierzu ist die Kennlinie oder ein Kennfeld in der Recheneinheit gespeichert.

Es folgt ein Ansteuern der Druckregeleinrichtung 60, insbesondere des elektrisch ansteuerbaren Regelventils 61 durch einen Steuerstrom auf die Magnetspule 63. In diesem Fall wirkt auf die Ventilnadel 64 des Regelventils 61 die Federkraft, der Druck P _B p bzw. die Kraft der Gegendruckkammer 50 sowie der Druck P _D bzw. die Kraft der Hochdruckkammer 40 und die durch die Magnetspule 63 erzeugte elektromagnetische Kraft. Der Druckdifferenzwert Δ P _B kann durch Einstellen eines Durchtrittsquerschnitts zwischen der Ventilnadel 64 und dem Gehäuse 65 des Regelventils 61 eingestellt werden. Somit wird ein Strömungsquerschnitt zwischen dem Hochdruck P _B der Hochdruckkammer 40 und dem Gegendruck P _B der Gegendruckkammer 50 im Regelventil 61 selbstständig durch das Regelventil 61 eingestellt.

In Fig . 3 ist ein Regelventil 61, insbesondere ein Regelventil 61 wie dieses gemäß Ausführungsform der Fig. 1 benötigt wird, dargestellt. In dem Regelventil 61 ist eine Ventilnadel 64 ausgebildet. Ebenfalls zu erkennen ist die Feder 66, deren Kraft auf die Ventilnadel 64 wirkt. Die Ventilnadel 64 ist innerhalb einer

Magnetspule 63 angeordnet. Die Magnetspule 63 kann durch Zuleitungen 67 mit Strom beaufschlagt werden, so dass auf die Ventilnadel 64 abhängig vom durch die Zuleitungen 67 strömenden Steuerungsstrom zur Magnetspule 63 eine elektromagnetische Kraft wirkt, die einstellbar ist.

Aufgrund der gestrichelten Linien ist erkennbar, dass das Regelventil 61 eine Zuleitung zur Gegendruckkammer 50 sowie zur Niederdruckkammer 30 aufweist. Der Kopf 69 der Ventilnadel 64 kann an einem Gehäuseabschnitt 65 derart anliegen, dass ein Ringspalt 68 zwischen dem Gehäuse 65 und dem Kopf 69 gebildet wird . In Abhängigkeit der Größe des Ringspalts 68 kann die

Druckdifferenz Δ P _BP zwischen der Gegendruckkammer 50 und der

Niederdruckkammer 30 eingestellt werden.

In der Gegendruckkammer 50 herrscht der Gegendruck P _B , wohingegen in der Niederdruckkammer 30 der Niederdruck P _s wirkt.

In Fig . 4 wird das in Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 notwendige Verfahren schematisch dargestellt.

In der Hochdruckkammer 40 herrscht demnach ein Druck P _D von 100 bar.

Dieser Druck wird gemessen und von einer Recheneinheit 80 abgegriffen bzw. an die Recheneinheit 80 weitergeleitet. Der Druck von 100 bar wird aufgrund der Drossel 62 auf 45 bar reduziert, so dass ein von der Hochdruckkammer 40 in die Gegendruckkammer 50 strömendes Arbeitsmedium in der Gegendruckkammer 50 einen Druck P _B von 45 bar aufweist. Zwischen der Gegendruckkammer 50 und der Niederdruckkammer 30 ist das Regelventil 61 angeordnet. Das Regelventil 61 ist ein mechanisch selbstregelndes Ventil, wobei die in dem Regelventil 61 vorhandene Magnetspule (hier nicht dargestellt) von der Recheneinheit 80 gesteuert wird . Hierzu wird in der

Recheneinheit 80 ein Druckdifferenzwert Δ P _B festgelegt, wobei jedem

Druckdifferenzwert Δ P _B ein Steuerstrom I zugeordnet ist, so dass anhand des Druckwerts P _D und des in der Recheneinheit 80 gespeicherten Kennfeldes 81 ein Steuerstrom I bezüglich der Magnetspule ermittelt wird.

Von der Recheneinheit 80 wird der Wert des Steuerstroms I auf die Magnetspule des Regelventils 61 weitergeleitet. Aufgrund des Steuerstroms I wird die

Magnetspule des Ventilelements 61 mit einer elektrischen Stromstärke

beaufschlagt, so dass eine auf die Ventilnadel 64 wirkende elektromagnetische Kraft eingestellt werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Scrollverdichter

11 mechanischer Antrieb

12 Antriebswelle

13 Wellenende

14 Mitnehmer

15 Umfangswandung

20 Gehäuse

21 oberer Gehäuseteil

22 Gehäusezwischenwand

23 Gehäuseboden

24 erste Wellendichtung

25 zweite Wellendichtung

26 Exzenterlager

27 Exzenterstift

28 Lagerbuchse

29 Dicht- und Gleitring

30 Niederdruckkammer

31 Verdrängerspirale

32 Gegenspirale 33 Rückwand Gegenspirale

34 Rückwand Verdrängerspirale

40 Hochdruckkammer

41 Seitenwand

42 Ausnehmung

43 Dichtring

44 Auslass

45 Ölabscheider

46 Öffnung

50 Gegendruckkammer

51 erster Leitungsabschnitt

52 zweiter Leitungsabschnitt

53 erster Ableitungsabschnitt

54 zweiter Ableitungsabschnitt

60 Druckregeleinrichtung

61 Regelventil

62 Drossel

63 Magnetspule

64 Ventilnadel

65 Gehäuse

66 Feder

67 Zuleitung

68 Ringspalt

69 Kopf

71 erster Leitungsabschnitt

72 zweiter Leitungsabschnitt

73 Zuleitung

74 Ableitungsabschnitt

80 Recheneinheit

81 Kennfeld

I Steuerstrom

P _D Druck im Hochdruckbereich

P _s Druck im Niederdruckbereich P _B p Gegendruck

Δ P _BP Druckdifferenzwertes