Scrollverdichter eines elektrischen Kältemittelantriebs

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Verdrängermaschinen nach dem Spiral prinzip und betrifft einen Scrollverdichter eines elektrischen Kältemittelantriebs, insbesondere eines Kältemittelkompressors (Kältemittelverdichters) für Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage. Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Käl temittelantrieb mit einem solchen Scrollverdichter.

Bei Kraftfahrzeugen sind regelmäßig Klimaanlagen eingebaut, die mit Hilfe einer einen Kältemittelkreislauf bildenden Anlage den Fahrzeuginnenraum klimatisieren. Derartige Anlagen weisen grundsätzlich einen Kreislauf auf, in dem ein Kältemittel geführt ist. Das Kältemittel, beispielsweise R-134a (1 ,1 ,1 ,2-Tetrafluorethan) oder R-744 (Kohlenstoffdioxid), wird an einem Verdampfer erwärmt und mittels eines (Kältemittel-)Verdichters beziehungsweise Kompressors verdichtet, wobei das Käl temittel anschließend über einen Wärmetauscher die aufgenommene Wärme wie der abgibt, bevor es über eine Drossel erneut zum Verdampfer geführt wird.

Als Kältemittelverdichter wird häufig die Scroll-Technologie eingesetzt, um ein Käl- temittel-ÖI-Gemisch zu verdichten. Das dabei entstehende Gas-Öl-Gemisch wird getrennt, wobei das abgetrennte Gas in den Klimakreislauf eingebracht wird, wäh rend das abgetrennte Öl gegebenenfalls innerhalb des Scrollverdichters als ge eigneterweise elektromotorisch angetriebenen Kältemittelverdichter zur Schmie rung von bewegten Teile an diese herangeführt werden kann.

Wesentliche Bestandteile des Scrollverdichters sind ein stationärer oder festste hender Scroll (Statorscroll, Fixscroll, engl.: fixed scroll) und ein beweglicher, orbi- tierender Scroll (Rotorscroll, Verdrängerscroll, engl.: movable, orbiting scroll). Die beiden Scrolls (Scrollteile) sind grundsätzlich gleichartig aufgebaut und weisen jeweils eine Basisplatte (base plate) und eine spiralförmige, ausgehend von der Basisplatte sich in Axialrichtung erstreckende Wandung (wrap) auf, welche nach folgend auch als Spiralwand bezeichnet ist. Im zusammengesetzten Zustand lie gen die Spiralwände der beiden Scrolls verschachtelt ineinander und bilden zwi schen den sich abschnittsweise berührenden Scroll-Wandungen mehrere Verdich terkammern.

Wenn der bewegliche Scroll orbitiert, gelangt das angesaugte Gas-Öl-Gemisch über einen Einlass von einer Niederdruckkammer zu einer ersten, radial äußeren Verdichterkammer (Saugkammer) und von dort über weitere Verdichterkammern (Kompressionskammer) zur radial innersten Verdichterkammer (Ausstoßkammer, Auslasskammer) sowie von dort über eine zentrale Auslassöffnung in eine Aus lass- oder Hochdruckkammer. Das Kammervolumen in den Verdichterkammern wird von radial außen nach radial innen kleiner, und der Druck des zunehmend verdichtenden Mediums wird größer. Während des Betriebs des Scrollverdichters steigt somit der Druck in den Verdichterkammern von radial außen nach radial innen an.

Während des Betriebs des Scrollverdichters werden aufgrund des in den Verdich terkammern erzeugten Drucks und der dadurch bedingten Axialkraft der bewegli che und der feststehende Scroll in axialer Richtung auseinander gedrückt, so dass ein Spalt und somit Leckagen zwischen den Verdichterkammern entstehen kön nen. Um dies möglichst zu vermeiden, wird - gegebenenfalls zusätzlich zu einem Ölfilm zwischen den Reibflächen der beiden Scrolls - der orbitierende Scroll ge gen den feststehenden Scroll gedrückt. Die entsprechende Axialkraft (Gegenkraft) wird erzeugt, indem auf der Basisplattenrückseite des orbitierenden Scrolls ein Aufnahme- oder Druckraum (Gegendruckkammer, engl.: back pressure chamber) vorgesehen ist, in der ein spezifischer Druck erzeugt wird.

Die resultierende Axialkraft der Gegendruckkammer ist vorzugsweise größer als die Summe der einzelnen axialen Kraftkomponenten aller Verdichterkammern. Jedoch ist hierbei ein notwendiger Kompromiss, dass die Axialkraft der Gegen- druckkammer nicht zu groß dimensioniert sein darf, da ansonsten Reibungsverlus te und Verschleiß der Spiralwände signifikant zunehmen. Das Gegendrucksystem (Back-Pressure-System) ist somit ausschlaggeben für die Performance und Leis tung eines Scrollverdichters.

Ist das Gegendrucksystem nicht in der Lage, einen ausreichend hohen Druck in der Gegendruckkammer aufzubauen, führt dies zu einem axialen Ablösen der Scrollteile. Dadurch entstehen axiale Spalte und es beginnt eine Leckage in radia ler Richtung von den radial inneren Kammern zur den radial äußeren Kammern Dadurch wird die Verdichtung des Kältemittels negativ beeinflusst und ein Betrieb in solchen Arbeitspunkten ist nicht möglich beziehungsweise nicht effizient mög lich.

Eine adaptive Anpassung des Gegendruck-Druckniveaus ist beispielsweise durch strömungsregelnde Bauteile realisierbar. Hierzu sind beispielsweise Kugelrück schlagventile, Blenden oder Düsen vorgesehen, mittels welchen ein Druckaus gleich zwischen der Hochdruckkammer und der Gegendruckkammer gesteuert und/oder geregelt wird. Die zusätzlichen Bauteile bewirken jedoch einen erhöhten Kosten- und Montageaufwand bei der Herstellung des Scrollverdichters.

Aus der DE 102012 104045 A1 ist es beispielsweise bekannt, dass in der Basis platte des orbitierenden Scrolls an einer bestimmten Position eine Fluidverbindung als Mitteldruckkanal (Durchgang, Öffnung, Backpressure-Port) eingebracht ist, welche zumindest eine der von den Scrolls gebildeten Verdichterkammern mit der Gegendruckkammer (Back-Pressure-Kammer) verbindet, so dass Kältemittelgas aus dem Verdichtungsprozess zwischen den Scroll-Spiralen direkt in die Gegen- bzw. Mitteldruckkammer gelangt. Aufgrund des Mitteldruckkanals im beweglichen Scroll in Verbindung mit der Gegendruckkammer wird somit der bewegliche Scroll selbst einstellend (automatisch) gegen den feststehenden Scroll gedrückt, sodass eine gewisse Dichtigkeit (axiale Dichtigkeit) gegeben ist. Alternativ kann der Mit teldruckkanal im feststehenden Scroll angeordnet und um den beweglichen Scroll herum zur Gegen- bzw. Mitteldruckkammer geführt werden. Die Gegendruck kammer ist hierbei mit einem in die Motorwelle eingebrachten Ölsaugkanal sowie mit einerweiteren Fluidverbindung mit der Hochdruckkammer verbunden. Durch die Verbindung der Gegendruckkammer mit der Hochdruckseite wird im Betrieb ein vergleichsweise hoher Gegendruck erzeugt, wodurch beispielsweise ein Wär mepumpenbetrieb der Verdrängermaschine nachteilig beeinflusst oder unmöglich wird.

In der DE 102016217358 A1 ist ein Scrollverdichter beschrieben, bei welchem die Gegendruckkammer über eine oder mehrere Fluidverbindungen mit unter schiedlichen Verdichterkammern gekoppelt ist. Die Fluidverbindungen sind hierbei in zwei Kompressionskammern angeordnet, welche beabstandet zu den radial inneren Verdichterkammern angeordnet sind, wobei die radialen Abstände der Fluidverbindungen unterschiedlich groß sind, so dass die Fluidverbindungen in Kompressionskammern angeordnet sind, welche ein unterschiedliches Druckni veau aufweisen.

Die DE 102017 110913 B3 offenbart ein Gegendrucksystem mit einer Fluidver bindung zwischen der Gegendruckkammer und einer Verdichterkammer, und mit einer Fluidverbindung von der Hochdruckkammer zu der Gegendruckkammer. Die Fluidverbindung von der Hochdruckkammer zu der Gegendruckkammer ist hierbei strömungstechnisch hinter einem Ölabscheider der Hochdruckkammer angeord net, so dass lediglich Kühlmittel und kein Öl in die Gegendruckkammer zurückge führt wird. Dadurch werden Lager, wie beispielsweise ein Lager für die Motorwelle, innerhalb der Gegendruckkammer nicht geschmiert, wodurch deren Lebensdauer nachteilig reduziert wird.

In Abhängigkeit von der Positionierung des Mitteldruckkanals (Gegendruck-Port, back pressure port) steigt bei dem bekannten Scrollverdichter der Druck in der Gegendruckkammer bei einem Druckverhältnis von beispielsweise 3 bar (Nieder druck) zu 25 bar (Hochdruck) auf beispielsweise ca. 6 bar bis ca. 9 bar an. Bei dem bekannten Kältemittelscrollverdichter für eine Kraftfahrzeugklimaanlage ist der Mitteldruckkanal, ausgehend vom Anfang der Scrollspirale (Spiralwand) des beweglichen (orbitierenden) Scrolls bei etwa 405° positioniert. In der Veröffentlichung “Computer Modeling of Scroll Compressor with Seif Adjus- ting Back-Pressure Mechanism“, Tojo et al. , Purdue e-Pubs (Purdue University), International Compressor Engineering Conferenz, 1986, ist eine Modellrechnung des selbsteinstellenden Back-Pressure-Mechanismus bei einem Scrollverdichter beschrieben. Im Ergebnis der Untersuchung wird in Figur 12 dieser Veröffentli chung ein Bereich des relativen Verdichterkammervolumens angegeben, in dem der Back-Pressure-Port (bei unterschiedlichen Port-Durchmessern) offen (fluid verbunden) sein soll. Dieser Bereich befindet sich zwischen 55% und ca. 100% des (relativen) Kammervolumens.

In “A Scroll Compressor for Air Conditioners“, Tojo et al., Purdue e-Pubs (Purdue University), International Compressor Engineering Conferenz, 1984, ist in Figur 11 das praktisch gleiche p-v-Diagramm gezeigt, wobei dort der Bereich des relativen Verdichterkammervolumens, in dem der Back-Pressure-Port offen sein soll, zwi- sehen 55% und ca. 95% liegt.

In beiden p-V-Diagrammen ist in dem betrachten Volumenbereich ein (relativer) Druckabfall bzw. Druckanstieg um den Faktor 2 (von 2.0 auf 1.0 bzw. von 1.0 auf 2.0) erkennbar. Der Öffnungs-Startwert des Gegendruck-Ports liegt somit bei ca. 100% bzw. bei ca. 95% des relativen Verdichterkammervolumens.

In “Computer Modeling of Scroll Compressor with Seif Adjusting Back-Pressure Mechanism“, Tojo et al., Purdue e-Pubs (Purdue University), International Com pressor Engineering Conferenz, 1986, zeigt Figur 5 den Verlauf des relativen Ver- dichterkammervolumens in Abhängigkeit vom Rotationswinkel (Roll- oder Wellen winkel Theta, Q) des orbitierenden Scrolls. Der gezeigte Verlauf ist unterteilt in den Ansaugprozess, welcher dem Niederdruckbereich entspricht, den Kompressi onsprozess und den Auslassprozess. Bei dem auf das relative Volumen bezoge nen Öffnungsbereich des Ports zwischen 55% und 100% bzw. 95% aus Figur 12 ergibt sich ein Winkelbereich von 0° bis 335° (bei 100% Öffnungs-Startvolumen) bzw. 0° bis 300° (bei 95% Öffnungs-Startvolumen), in welchem der Port positio niert sein soll. In “Dynamics of Compliance Mechanisms in Scroll Compressors, Part I: Axial Compliance”, Nieter et al. , Purdue e-Pubs (Purdue University), International Com- pressor Engineering Conferenz, 1990, ist die Winkelposition des Gegendruck- Ports (Figuren 7 und 8) diskutiert. Aus Figur 3 und Seite 309, vorletzter Absatz, vorletzter Satz, ergibt sich ein Winkelbereich von 360°, innerhalb dessen der Ge gen- oder Mitteldruckkanal (Back-Pressure-Port, Gegendruck-Port) positioniert sein sollte.

Aus der DE 102017 105 175 B3 ist ein Scrollverdichter mit einem orbitierenden Scroll bekannt, in welchen zwei Fluidverbindungen eingebracht sind, welche zu mindest zeitweise die Verdichterkammern mit der Gegendruckkammer koppeln. Weiterhin ist eine dritte Fluidverbindung von der Flochdruckkammer zur Gegen druckkammer realisiert. Die erste Fluidverbindung ist hierbei in einem mittleren Abschnitt der Scrollspirale, also in einem Abschnitt zwischen einem radial innen seitigen Spiralende und einem radial außenseitigen Spiralanfang, angeordnet, wobei die zweite Fluidverbindung im Anfangsbereich angeordnet ist. Dies bedeu tet, dass die erste Fluidverbindung in einer Verdichterkammer zwischen der Hoch druckkammer und der Niederdruckkammer angeordnet ist, wobei die zweite Fluid verbindung im Bereich der Niederdruckkammer angeordnet ist. Dadurch ist der Druck in der Gegendruckkammer durch einen Abgleich mit dem Saugdruck oder Niederdruck einstellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip derart weiterzubilden, dass der Druck in der Gegendruckkammer in vorteilhafter Weise selbst einstellbar ist. Insbesondere soll durch ein geeignetes und variables Gegendrucksystem eine möglichst flexible und effektive Anpassung des Drucks in der Gegendruckkammer (Backpressure-Kammer) aufgrund unter schiedlicher Betriebsdrücke möglich sein. Auch sollen Leckagen zwischen den Verdichterkammern möglichst weitgehend reduziert und Reibungsverluste zwi schen dem feststehenden Scroll und dem orbitierenden Scroll vermieden oder zumindest möglichst minimal gehalten werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten elektrischen Kältemittelantrieb mit einem solchen Scrollverdichter anzugeben. Hinsichtlich des Scrollverdichters wird die Aufgabe mit den Merkmalen des An spruchs 1 und hinsichtlich des Kältemittelantriebs mit den Merkmalen des An spruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil- düngen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Scrollver- dichter angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Kältemittelantrieb übertragbar und umgekehrt.

Der erfindungsgemäße Scrollverdichter ist für einen elektrischen Kältemittelan- trieb, insbesondere für einen elektrischen Kältemittelverdichter, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Der Scrollverdichter ist hierbei insbesondere zur Förderung und Verdichtung von Kältemittel einer Kraftfahrzeugklimaanlage aus gebildet. Der Scrollverdichter ist beispielsweise auch als ein Luftverdichter aus führbar, wobei das geförderte oder verdichtete Fluid insbesondere Luft ist.

Der Scrollverdichter weist ein (Verdichter-)Gehäuse mit einer Niederdruckkammer und mit einer Hochdruckkammer sowie mit Verdichterkammern (Verdichtungs kammern) und mit einer Gegendruckkammer auf. Der Scroll weist weiterhin einen feststehenden Scroll und einen beweglichen, dies bedeutet im angetriebenen Zu- stand - also im Betrieb (Verdichterbetrieb) - orbitierenden (oszillierenden) Scroll auf, welche vorzugsweise zumindest teilweise in dem Gehäuse aufgenommen sind. Der bewegliche Scroll ist nachfolgend auch als orbitierender Scroll bezeich net. Bei den Scrolls kann es auch um drehende Scrolls, sogenannte co-rotierende Scrolls (engl.: Co-Rotating Scrolls), handeln, bei welchen beide Scrolls um eine exzentrische Achse angetrieben sind. Die nachfolgenden Ausführungen für be wegliche und feststehende Scrolls gelten hierbei sinngemäß auch entsprechend für drehende Scrolls.

Die Scrolls oder Scrollteile weisen jeweils eine Basisplatte (Bodenplatte) und eine sich hiervon im Wesentlichen senkrecht erstreckende Spiralwand (Scrollspirale) auf, wobei zwischen den ineinandergreifenden Spiralwänden der beiden Scrolls (Scrollteile) die insbesondere sichelförmigen Verdichterkammern gebildet sind. Die vorzugsweise im Wesentlichen symmetrisch ausgebildeten Spiralwände der Scrollteile weisen hierbei beispielsweise jeweils einen Spiralwinkel von etwa 720° auf. Die Basisplatte des feststehenden Scrolls begrenzt hierbei die Hochdruck kammer, und die Basisplatte des beweglichen Scrolls begrenzt die Gegendruck kammer.

Erfindungsgemäß ist mindestens eine Fluidverbindung in eine axiale Anlagefläche der Spiralwand (Spiral-Tip) eines der beiden Scrolls eingebacht, welche an der Basisplatte des jeweils anderen Scrolls anliegt. Die Basisplatte des anderen Scrolls weist hierbei eine Anzahl von beispielsweise sickenförmigen Aussparun gen oder Vertiefungen oder Einschnitten auf, welche im Zuge der orbitierenden Bewegung von der mindestens einen Fluidverbindung der Anlagefläche (Spiral- Tip-Fläche) zumindest abschnittsweise überstrichen oder überfahren wird, so dass die Fluidverbindung zumindest zeitweise zu einer jeweiligen Verdichterkammer geöffnet ist. Durch das Einbringen der Fluidverbindung in die Tip-Flächen der Spi ralwand werden somit während des Verdichterbetriebs zeitliche Eingriffsphasen nach Art eines Taktventils für den Massestrom gebildet.

Sobald der orbitierende Scroll vollständig in axialer Richtung am feststehenden Scroll anliegt, sind im Normalfall die Fluidverbindungen der Anlagefläche vollstän dig verdeckt. Durch die Einschnitte oder Aussparungen oder Vertiefungen im Bo den des anderen Scrolls ergeben sich jedoch zeitlich getaktete oder zeitlich geöff nete Fluidverbindungen. Der resultierende Druckverlauf wird durch die Taktung quasi etwas gröber nachempfunden. Die Druckverlaufs-Abschnitte der verschlos senen Fluidverbindungen werden somit interpoliert. Aus stationärer Sicht stellt sich der gleiche Druck ein, wie bei einer durchgängigen Fluidverbindung. Der Vorteil hieraus ist jedoch, dass der Verlustmasstenstrom des Kältemittels durch das Ge gendrucksystem deutlich geringer ausfällt.

Dieser Vorteil kann dafür genutzt werden, um beispielsweise die Bohrungsdurch messer der mindestens einen Fluidverbindung größer zu dimensionieren. Da die größere Fluidverbindung lediglich zeitweise geöffnet sind, stellt sich im Wesentli chen der gleiche Verlustmassenstrom wie bei einer dauerhaft geöffneten Fluidver bindung mit geringeren Bohrungs-Durchmessern oder -Querschnitten ein. Dadurch ist eine einfachere Herstellung im Hinblick auf Fertigungstoleranzen er möglicht. Dies ist insbesondere für Kältemittel Anwendungen, welche in deutlich höheren Druckbereichen arbeiten, als beispielsweise beim Kältemittel R134A, ins besondere bei Kohlenstoffdioxid (CO2, R-774), vorteilhaft, da man bei höheren Druckniveaus in Bohrungsdurchmesserbereiche Vordringen muss, bei deren Ferti gung die Toleranzschwankungen einen zu großen Einfluss auf das Gegendruck system hätten.

Wenn die Fluidverbindungen beispielsweise insgesamt lediglich für die Hälfte ei- ner Verdichterperiode geöffnet sind, weisen sie geeigneterweise die doppelte Querschnittsfläche auf, also einen um einen Faktor 2 größeren Durchmesser.

Die Vertiefungen im Boden des anderen Scrolls sind hierbei derart angeordnet, dass sie die Fluidverbindung während des Orbitierens im Verdichterbetrieb ermög- liehen. Sofern die Fluidverbindung in die Spiralwand des orbitierenden Scrolls und die Vertiefungen in die Basisplatte des feststehenden Scrolls eingebracht sind, bedeutet dies, dass die Vertiefungen in der Nähe der orbitierenden Kreisbahn der Fluidverbindung im Tip beziehungsweise in der Anlagefläche des orbitierenden Scrolls angeordnet sind.

Eine mögliche Ausbildungsform sieht hierbei eine Variation der Anzahl der Ein schnitte beziehungsweise der zeitlichen Eingriffslänge jedes Einschnittes oder je der Vertiefung vor, um eine möglichst optimale Konfiguration zu erreichen.

Dadurch werden Verlustmassenströme auch bei größer dimensionierten Boh- rungs- oder Fluidverbindungsdurchmessern vorteilhaft reduziert.

Vorzugsweise weisen die Vertiefungen einen Durchmesser auf, welcher größer oder gleich der Öffnung der Fluidverbindung dimensioniert ist. Dadurch wird si chergestellt, dass die Fluidverbindung beim Überstreichen der Vertiefungen voll- ständig geöffnet oder freigegeben wird.

Die Einschnitte oder Vertiefungen im Boden des feststehenden Scrolls sind in ei ner geeigneten Weiterbildung derart dimensioniert, dass eine Leckage über die Spiralwand hinweg nicht möglich ist. Mit anderen Worten ist der Durchmesser der oder jeder Vertiefung kleiner oder gleich der Breite der sie überstreichenden Spi ralwand. Geeigneterweise weisen die Vertiefungen somit einen Durchmesser oder Breite auf, welcher einerseits größer als der Öffnungsdurchmesser der Fluidver- bindung und andererseits kleiner als die Spiralwandbreite ist. Der Öffnungsdurch messer der Fluidverbindungen ist beispielsweise zwischen 0,1 mm (Millimeter) und 1 mm, wobei die Vertiefungen einen Durchmesser zwischen 0,5 mm bis 3 mm, beispielsweise 1 mm, aufweisen. In einer bevorzugten Ausbildung ist die mindestens eine Fluidverbindung in die Anlagefläche der Spiralwand des beweglichen Scrolls angeordnet, wobei die Ver tiefungen in die Basisplatte des feststehenden Scrolls eingebracht sind. In einer alternativen Ausbildungsform ist dieses Prinzip in umgekehrter Weise beim fest stehenden Scroll realisierbar. Dies bedeutet, dass die Fluidverbindungen durch die Spiral-Tip-Flächen des feststehenden Scrolls verlaufen, und die Einschnitte oder Aussparungen im Boden beziehungsweise in der Basisplatte des beweglichen Scrolls angeordnet sind.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung steht die Gegendruckkammer über zumin- dest zwei Fluidverbindungen mit den Verdichterkammern in Verbindung. Jede Flu idverbindung verbindet hierbei eine unterschiedliche Verdichterkammer mit der Gegendruckkammer. Die Fluidverbindungen können hierbei unmittelbar, also die Gegendruckkammer direkt mit der jeweiligen Verdichterkammer verbindend, oder zumindest mittelbar ausgeführt sein. Die Fluidverbindungen wirken somit im Be- trieb als Druckkanäle oder Druckleitungen (Mitteldruckkanäle), über welche die Gegendruckkammer strömungstechnisch mit den zumindest zwei Verdichterkam mern kommuniziert.

Die Fluidverbindungen sind hierbei in den feststehenden Scroll und/oder in den beweglichen Scroll eingebracht. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Fol genden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können. Mit anderen Worten ist es möglich, dass die Fluidverbindungen aus- schließlich in der Spiralwand des feststehenden Scrolls oder ausschließlich in der Spiralwand des beweglichen Scrolls oder aufgeteilt teilweise in der Spiralwand des feststehenden Scrolls und teilweise in der Spiralwand des beweglichen Scrolls eingebracht sind. Entsprechend sind die Vertiefungen im jeweils anderen Scroll angeordnet.

Nachfolgend werden die Verdichterkammern auch in Saugkammern, Kompressi onskammern und Ausstoßkammern unterschieden. Für symmetrische Scrolls exis tiert eine gerade Anzahl an Saug- beziehungsweise Kompressionskammern Symmetrisch bedeutet hierbei, dass beide Spirallängen, also die Länge der Spi ralwände der feststehenden und orbitierenden Scrolls im Wesentlichen gleich lang sind, also dass die Spiralwände im Wesentlichen den gleichen Spiralwinkel auf weisen. Die Saugkammern sind hierbei zur Niederdruckseite (Saugseite) geöffnet. Sobald die Saugkammern durch die orbitierende Bewegung der Scrolls verschlossen werden, werden sie zu Kompressionskammern, deren sichelförmiges Volumen im Zuge der orbitierenden Bewegung zur Spiralmitte hin sukzessiv verdichtet oder reduziert wird. Die zwei radial innersten Kompressionskammern werden hierbei als Ausstoßkammern bezeichnet. Die Ausstoßkammern verbinden oder vereinigen sich in einem auch als „Merging“ bezeichneten Prozess zu einer gemeinsamen Auslasskammer, welche das verdichtete Kältemittel über die Auslassöffnung in die Hochdruckkammer fördert. Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass eine erste Flu idverbindung mit der radial innersten Verdichterkammer kommuniziert. Die radial innerste Verdichterkammer ist eine Verdichterkammer, welche im Zuge der orbitie renden Bewegung des beweglichen Scrolls über eine Auslassöffnung, insbeson dere über einen Hauptauslass (Hauptauslass-Port), mit der Hochdruckkammer gekoppelt ist (Ausstoßkammer, Auslasskammer). Die erste Fluidverbindung kann hierbei in die Verdichterkammer selbst oder in deren Auslassöffnung eingebracht sein. Insbesondere ist die erste Fluidverbindung derart angeordnet, dass sie über die Vertiefungen mit der Auslasskammer in einem Bereich zwischen 90° und 180° Wellenwinkel nach dem Merge-Winkel zusammenwirkt. Die zweite Fluidverbin dung ist hierbei ausgehend von der ersten Fluidverbindung um einen Spiralwinkel von 320° bis 400° nach außen versetzt angeordnet. Dadurch ist ein besonders geeigneter Scrollverdichter gebildet. Insbesondere ist somit ein besonders flexib- les Gegendrucksystem realisiert, welche in jedem Arbeitspunkt oder Betriebszu stand des Scrollverdichters eine möglichst optimale axiale Kraftkompensation er möglicht.

Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Längsachse des Scrollverdichters, also senk recht zu den Basisplatten verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Längsachse orientierte Richtung entlang eines Radius der Basisplatten bezie hungsweise des Scrollverdichters verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tan- gentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Scrollverdichters oder der Spiralwände (Umfangsrichtung, Azi mutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrich tung, verstanden. Das Gegendrucksystem weist somit eine Kombination von Fluidverbindungen der Gegendruckkammer zu den Verdichtungskammern zwischen den Scroll-Spiralen auf. Der Scroll benötigt theoretisch mindestens drei Fluidverbindungen (eine mitti ge im Bereich der Ausstoß- oder Auslasskammer und zwei in den Kompressions kammern für jeweils einen Verdichtungspfad). Bei symmetrischen beziehungswei- se nahezu-symmetrischen Scrolls ist es jedoch möglich, die notwendige Anzahl der Fluidverbindungen in den Bereichen der Kompressions- und Ausstoßkammern auf zwei zu reduzieren, da bei (im Wesentlichen) symmetrischen Scrolls beide Verdichtungspfade die gleiche Verdichtung durchführen. Die erste Fluidverbindung ist hauptsächlich im Bereich einer Ausstoßkammer be ziehungsweise im Bereich der Auslasskammer positioniert. Die erste Fluidverbin dung ist mit der (radial) innersten Verdichterkammer verbunden, aus welcher das verdichtete Fluid beziehungsweise das verdichtete Kältemittel durch den Haupt- auslass-Port in die Hochdruckkammer ausgestoßen wird. Die nachfolgende (zwei te) Fluidverbindung erfolgt an einer Position die 320° bis 400° Spiralwinkel weiter außen an der Spirale liegt. Die Fluidverbindung liegt somit in einem Bereich, in dem sie eine Verbindung zu den Kompressionskammern herstellt.

Während eines Verdichtungszyklus sind beide Fluidverbindungen in jeweils unter schiedlichen Verdichtungsbereichen aktiv. Je nach Hoch- und Niederdruckniveau ist ein spezifischer Gegendruck notwendig, um die axiale Kraftkompensation zu gewährleisten. Durch die beiden Fluidverbindungen werden Kältemittelmassen ströme (mit Kältemittelmassenstrom ist immer auch ein gewisser Öl-Massenstrom Anteil gemeint) in und aus der Gegendruckkammer geleitet. Die treibende Kraft ist hierbei die Druckdifferenz zwischen den Verdichterkammern und der Gegendruck kammer. Ist der Druck einer fluidverbundenen Verdichterkammer niedriger als der Druck in der Gegendruckkammer, so strömt Kältemittel aus der Gegendruckkam mer in die Verdichterkammer und umgekehrt.

Insbesondere steht im Wesentlichen der vollständige Verdichtungszyklus unter einer aktiven, zeitlich getakteten, Fluidverbindung zur Gegendruckkammer.

In einer geeigneten Ausführungsform ist hierbei eine Gewichtung der Quer schnittsflächen der Fluidverbindungen, also deren strömungs- oder fluidtechni schen Durchmesser, vorgesehen, da die axialen Flächen der Verdichterkammern unterschiedlich groß sind. Dies bedeutet, dass die innere Fluidverbindung stets einen kleineren Durchmesser aufweist, als die nachfolgend äußeren Fluidverbin dungen. Mit anderen Worten sind die Durchmesser der Fluidverbindungen an die jeweilige axialen Flächen der zugeordneten Verdichterkammer angepasst.

Durch das Gegendrucksystem mit mindestens zwei Fluidverbindungen ist eine selbstregelnde und hochdynamische Anpassung der axialen Kraftkompensation ermöglicht. Das Gegendrucksystem ermöglicht hierbei die Einstellung eines opti malen Druckniveaus in der Gegendruckkammer aufgrund der Fluidverbindungen zu den Verdichterkammern. Unter einem „optimalen Druckniveau“ ist hierbei ins besondere Gegendruck-Niveau zu verstehen, bei welchem ein Kompromiss aus (axialer) Anpresskraft, welche eine Leckage durch Minimierung der Spalte verhin dern soll, und Reibungsverlusten, welche zu Verlustleistungen und Verschleiß füh ren, maximal günstig ist. Mit anderen Worten liegt ein „optimales Druckniveau“ dann vor, wenn die aufgenommene Verdichter-Leistung zur Erreichung eines be stimmten Arbeitspunktes (bei gleichen Randbedingungen) ihr Minimum erreicht.

Dieses Druckniveau kann im Gegensatz zum Stand der Technik aufgrund der An ordnung der Fluidverbindungen über alle Arbeitsbereiche des Scrollverdichters in einem optimalen Zustand gehalten werden. So ist es beispielsweise bei Gegen drucksystemen gemäß dem Stand der Technik, welche einen Zugang zur Hoch druckkammer selbst haben, lediglich möglich, diese optimal in Arbeitspunkten ei nes Klimatisierungsbetriebs (Air conditioning, AC) einzustellen, jedoch nicht zeit gleich auch optimal in einem Arbeitspunkt eines Wärmepumpenbetriebs, da sol che Systeme im Allgemeinen bei diesen Arbeitspunkten ein zu hohes Backpres- sure-Niveau aufweisen.

Das Gegendrucksystem weist weiterhin eine erhöhte Effizienz aufgrund der ener getisch günstigen Fluidverbindungen auf. Im Gegensatz zu Gegendrucksystemen, welche eine Fluidverbindung zur Hochdruckkammer aufweisen, wird das Fluid be ziehungsweise das Kältemittel-Öl Gemisch direkt aus der Verdichtungskammer entnommen, bevor es vollständig verdichtet wurde. Dies ist energetische betrach tet günstiger, als das Kältemittel erst nach vollständiger Verdichtung aus der Hochdruckkammer zu entnehmen, und es danach auf das Gegendruck-Niveau zu entspannen. Hierdurch ergibt sich eine geringere Gastemperatur innerhalb der Gegendruckkammer, wodurch die Belastbarkeit und Lebensdauer von Lagern des Scrollverdichters, insbesondere von einem Zentralplattenlager (Centerplate-Lager) und von dem Lager des orbitierenden Scrolls, verbessert wird.

Des Weiteren ist es mittels des Gegendrucksystems nicht möglich, dass sich der orbitierende Scroll von dem feststehenden Scroll im Verdichterbetrieb ablöst. Bei Verdichtern, deren Gegendrucksystem nicht jeden Betriebspunkt (bspw. Wärme pumpenpunkte) mit einer ausreichenden axialen Kraftkompensation versorgen kann, kommt es zum sogenannten Ablösen. Hierbei separiert sich der orbitierende Scroll axial vom feststehenden Scroll. Aufgrund der entstehenden Leckagespalte wird die Verdichtung vollständig unterbrochen oder extrem ineffizient.

Ein solcher Ablösevorgang ist in der Regel ein sich selbstverstärkender Vorgang. Beginnt das Ablösen während einer intakten Verdichtung, strömt Kältemittel auf grund der hohen Druckunterschiede aus der innersten Verdichterkammer in die nachfolgenden äußeren Verdichterkammern, wodurch der Druck in den äußeren Verdichterkammern ansteigt. Als Folge wird eine noch größere axiale Anpresskraft durch die Gegendruckkammer benötigt. Wird diese nicht bereitgestellt, vergrößert sich der axiale Leckagespalt. Dies geschieht solange, bis die Verdichtung voll ständig zum Erliegen kommt, oder zumindest gewisse Verdichtungsverhältnisse nicht mehr erreicht werden können.

Da das Gegendrucksystem den gesamten Verdichtungsprozess beobachtet, rea- giert es adaptiv auf Leckagen, welche den Druck in den außen liegenden Verdich terkammern erhöhen, wobei die mindestens eine außenliegende Fluidverbindung in der Folge auch das Druckniveau in der Gegendruckkammer erhöht. Es ergibt sich somit quasi eine „dynamische Rückkopplung“. Eine besonders hohe Reakti onsgeschwindigkeit des Gegendrucksystems ist beispielsweise dadurch realisier- bar, dass unmittelbare oder direkte Fluidverbindungen in die Basisplatte des orbi- tierenden Scrolls eingebracht sind. Vorzugsweise weist die radial äußere Fluidver bindung hierbei einen größeren Durchmesser auf, als die radial innere Fluidver bindung, wodurch Druckerhöhungen aufgrund Leckagen schnell ausgeregelt wer den.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist keine der Fluidverbindungen mit der Nie derdruckkammer gekoppelt. Mit anderen Worten ist keine Fluidverbindung im Be reich der Saugkammern vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Fluidverbindungen ausschließlich in den inneren Bereichen der Scrollteile, also im Bereich der Kom- pressionskammern, der Ausstoßkammern und der Auslasskammer, angeordnet sind. Dadurch weist die Gegendruckkammer keine Verbindung zu der Saugseite beziehungsweise zu der Niederdruckkammer auf. In der Folge werden Verlust masseströme im Scrollverdichter reduziert. Im Gegensatz zu Gegendrucksystemen, welche eine Fluidverbindung zur Saug seite besitzen, wird das Kältemittel-Öl Gemisch direkt in eine der äußeren Kom pressionskammer zurückgeführt. Dadurch findet keine vollständige Entspannung des Kältemittels vom Gegendruck-Niveau auf das Saugdruck-Niveau der Nieder druckkammer statt. Somit ist bei dem Scrollverdichter der Verlustmassenstrom durch das Gegendrucksystem kein „vollständiger Verlust“, da der gesamte Mas senstrom in die Verdichterkammern zurückgeführt wird.

Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Fluidver bindungen derart angeordnet sind, dass die Fluidverbindungen zu keinem Zeit punkt der orbitierenden Bewegung des beweglichen Scrolls gemeinsam verdeckt oder verschlossen sind. Mit anderen Worten ist zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Fluidverbindung geöffnet. Dadurch ist es möglich, bei einer Abschaltung des Scrollverdichters einen Druckausgleich im System beziehungsweise in der Ge gendruckkammer zu bewirken. Dies bedeutet, dass der Druck in der Gegendruck kammer auch reduziert werden kann. Ansonsten ist bei zeitnahem (Neu-)Start des Scrollverdichters eine hohe axiale Anpresskraft vorhanden, ohne dass die Ver dichtungskräfte der Verdichterkammern dagegenwirken. Die Folge ist ein erhöhter Verschleiß der axialen Kontaktflächen und ein hohes „Losbrech-Moment“ welches durch den Antrieb des Scrollverdichters aufgebracht werden muss.

In einer denkbaren Ausführung weisen die Vertiefungen eine kreisförmige Quer schnittsform auf. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Fierstellung als Fräsung oder Bohrung ermöglicht.

In einer geeigneten Weiterbildung ist die oder jede Fluidverbindung als zwei axial ineinandermündene Bohrungen ausgeführt, wobei die Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die breitere Bohrung ist hierbei zur Gegendruckkammer hin orientiert, wobei die schmälere Bohrung zu den Vertiefungen der Basisplatte gerichtet ist. Die oder jede Fluidverbindung ist beispielsweise mit einem Fliterbauteil versehen. Die Filterbauteile sind hierbei zur Verbesserung der Robustheit gegen Partikel, insbesondere bei Fluidverbindungen mit kleinem Durchmesser, vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet.

Die Verhältnisse der Strömungsquerschnitte der Fluidverbindungen sind in gerin gem Maße variabel. Eine gewisse Mindestgröße beziehungsweise ein gewisser Mindestdurchmesser ist jedoch notwendig, sofern einfache Bohrungen als Fluid verbindung genutzt werden. Begründung hierfür ist, dass eine gewisse Reaktions geschwindigkeit des Gegendrucksystems gefordert wird, dies ist abhängig von der Füllgeschwindigkeit der Gegendruckkammer. Weiterhin soll eine gewisse Partikel- Resistenz realisiert sein. Dies bedeutet, dass kleinste Partikel die Bohrung bezie hungsweise Fluidverbindung nicht direkt verstopfen oder blockieren können. Im Automobilbereich sind in der Regel Partikelgrößen bis 200 pm (Mikrometer) zuläs sig.

Je kleiner die Strömungsdurchmesser der Fluidverbindungen dimensioniert sind, desto geringer fällt auch der Verlustmassenstrom aus. Durch die Nutzung von fei nen Filtergeweben (beispielsweise Betamesh mit 40 pm Meshgröße) innerhalb der Fluidverbindungen ist es möglich, auch sehr feine Fluidverbindungen, also Fluid verbindungen mit geringem Durchmesser, beispielsweise im Bereich von etwa 0,1 mm, zu nutzen.

Der erfindungsgemäße Kältemittelantrieb ist insbesondere als ein Kältemittelver dichter, beispielsweise als ein elektromotorischer Scroll-Verdichter, eines Kraft fahrzeugs ausgeführt. Der Kältemittelantrieb ist hierbei zur Verdichtung eines Käl temittels einer Kraftfahrzeugklimaanlage vorgesehen, sowie dazu geeignet und eingerichtet. Der Kältemittelantrieb weist hierbei einen elektromotorischen Antrieb auf, welcher von einer Leistungselektronik gesteuert und/oder geregelt ist. Der Antrieb ist antriebstechnisch mit einem Verdichterkopf gekoppelt, wobei der Ver dichterkopf als ein vorstehend beschriebener Scrollverdichter ausgeführt ist. Die im Hinblick auf den Scrollverdichter angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Kältemittelantrieb übertragbar und umgekehrt. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 in Schnittansicht einen elektrischen Kältemittelverdichter mit einem Scrollverdichter mit einem integrierten Gegendrucksystem, Fig. 2 in perspektivischer Darstellung den orbitierenden Scroll des Scrollver- dichters, Fig. 3 in perspektivischer Darstellung den feststehenden Scroll des Scroll- verdichters,

Fig. 4 in Schnittdarstellung ausschnittsweise den Scrollverdichter in einer zweiten Ausführungsform, Fig. 5 in Schnittdarstellung eine radial äußere Fluidverbindung des Scroll- verdichters, Fig. 6 in Schnittdarstellung eine radial innere Fluidverbindung des Scrollver- dichters, Fig. 7 ein Wellenwinkel-Druck-Diagramm des Verdichtungsprozesses des Scrollverdichters, Fig. 8 in perspektivischer Darstellung den feststehenden Scroll in einer drit ten Ausführungsform, und

Fig. 9 in Schnittdarstellung ausschnittsweise den Scrollverdichter gemäß der dritten Ausführungsform.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei- chen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 dargestellte Kältemittelantrieb 2 ist vorzugsweise als ein Kältemittel verdichter in einem nicht näher dargestellten Kältemittelkreislauf einer Klimaanla ge eines Kraftfahrzeugs verbaut. Der elektromotorische Kältemittelverdichter 2 weist einen elektrischen (elektromotorischen) Antrieb 4 sowie ein mit diesem ge koppelten Scrollverdichter 6 als Verdichterkopf auf. Der Scrollverdichter 6 ist nach folgend auch verkürzt als Verdichter 6 bezeichnet. Der Antrieb 4 einerseits und der Verdichter 6 andererseits sind beispielsweise modular aufgebaut, sodass beispielsweise ein Antrieb 4 an unterschiedliche Ver dichter 6 koppelbar ist. Ein zwischen den Modulen 4 und 6 gebildeter Übergangs bereich weist eine mechanische Schnittstelle in Form eines Lagerschilds 8 auf.

Der Verdichter 6 ist antriebstechnisch über das Lagerschild 8 an den Antrieb 4 angebunden.

Der Antrieb 4 weist ein topfartiges Antriebsgehäuse 10 mit zwei Gehäuseteilberei chen 10a und 10b, welche durch eine monolithisch integrierte Gehäusezwischen wand (Schottwand) 10c innerhalb des Antriebsgehäuses 10 voneinander fluiddicht getrennt sind. Das Antriebsgehäuse 10 ist vorzugsweise als ein Druckgussteil aus einem Aluminium-Material hergestellt.

Der verdichterseitige Gehäuseteilbereich ist als ein Motorgehäuse 10a zur Auf nahme eines Elektromotors 12 ausgebildet. Das Motorgehäuse 10a ist einerseits durch die (Gehäuse-)Zwischenwand 10c und andererseits durch das Lagerschild 8 verschlossen. Der an der Zwischenwand 10c gegenüberliegende Gehäuseteilbe reich ist als ein Elektronikgehäuse 10b ausgebildet, in welchem eine nicht näher gezeigte Leistungselektronik (Motorelektronik) aufgenommen ist, welche den Be trieb des Elektromotors 12 - und somit des Verdichters 6 - steuert und/oder re gelt.

Das Elektronikgehäuse 10b ist mit einem Gehäusedeckel (Elektronikdeckel) 14 zu einer dem Verdichter 6 abgewandten Stirnseite des Antriebs 4 hin verschlossen. Die Leistungselektronik wird bei einem geöffneten Gehäusedeckel 14 in einem durch das Elektronikgehäuse 10b gebildeten Elektronikfach 16 montiert, und ist weiterhin bei einem abgenommenen Gehäusedeckel 14 zu Wartungs- oder Repa raturzwecken problemlos zugänglich.

Das Antriebsgehäuse 10 weist etwa auf Höhe des Elektromotors 12 einen nicht näher dargestellten (Sauggas-)Einlass oder Saugport (Zulauf) zum Anschluss an den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage auf. Über den Einlass strömt ein Fluid, insbesondere ein Sauggas, in das Antriebsgehäuse 10, insbesondere in das Mo- torgehäuse 10a, ein. Von dem Motorgehäuse 10a aus fließt das Fluid durch das Lagerschild 10 zu dem Verdichter 6. Das Kältemittel wird anschließend mittels des Verdichters 6 verdichtet beziehungsweise komprimiert und tritt an einem boden seitigen (Kältemittel-)Auslass 18 (Ablauf) des Verdichters 6 in den Kältemittelkreis lauf der Klimaanlage aus.

Der Auslass 18 ist an dem Boden eines topfförmigen (Verdichter-)Gehäuses 20 des Verdichters 6 angeformt. Im angeschlossenen Zustand bildet der Einlass hier bei die Niederdruck- beziehungsweise Saugseite und der Auslass 18 die Hoch druck- beziehungsweise Pumpseite des Kältemittelverdichters 2.

Der insbesondere bürstenlose Elektromotor 12 umfasst einen drehfest mit einer Motorwelle 22 gekoppelten Rotor 24, welcher rotierbar innerhalb eines Stators 26 angeordnet ist. Die Motorwelle 22 ist mittels zwei Lagern 28 drehbar oder rotierbar gelagert. Das eine Lager 28 ist hierbei in einem Lagersitz 30 angeordnet, welcher an dem Gehäuseboden beziehungsweise an der Zwischenwand 10c des An triebsgehäuses 10 angeformt ist. Das andere Lager 28 ist in dem Lagerschild 8 aufgenommen. Das Lagerschild 8 weist hierbei einen Dichtring 32 zur Abdichtung gegenüber der Motorwelle 22 auf.

Der Scrollverdichter 6 weist einen im Verdichtergehäuse 20 angeordneten beweg lichen Scroll (Scrollteil) 34 auf. Der in Fig. 2 einzeln dargestellte Scroll 34 ist mit tels eines Ausgleichsgewichts 36 als Swing Link oder Exzenter über zwei Fügestif te oder Wellenzapfen 38, 40 an die Motorwelle 22 des Elektromotors 12 gekop pelt. Der Wellenzapfen 38 ist hierbei als sogenannter Exzenter-Pin und der Wel lenzapfen 40 als sogenannter Limiter-Pin ausgeführt.

Das Ausgleichsgewicht 36 ist in einem im beweglichen Scroll 34 gehaltenen Lager 42 gelagert. Der bewegliche Scroll 34 ist im Betrieb des Scrollverdichters 6 orbitie- rend angetrieben.

Der Scrollverdichter 6 weist zudem einen starren, also gehäusefest im Verdichter gehäuse 20 befestigten, feststehenden Scroll (Scrollteil) 44 auf, welcher in Fig. 3 einzeln dargestellt ist. Die beiden Scrolls (Scrollteile) 34, 44 greifen mit deren Schnecken- oder spiralförmigen Spiralwänden (Scrollwänden, Scrollspiralen) 34a, 44a ineinander, die von einer jeweiligen Basisplatte 34b, 44b axial emporragen. Die Spiralwände 34a, 44a sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszei chen versehen. Der Scroll 44 weist weiterhin eine den Außenumfang bildende, umlaufende Begrenzungswand 44c auf.

Die Scrolls 34, 44 sind über eine Saug- oder Niederdruckkammer 46 des Verdich tergehäuses 22 mit dem Motorraum des Motorgehäuses 10a verbunden. Im Ver dichterbetrieb wird das Fluid von der Niederdruckkammer 46 zu einer Hochdruck- kammer 48 des Verdichtergehäuses 20 gefördert. In der Flochdruckkammer 48 ist ein als Zyklonabscheider ausgeführter Ölabscheider 50 angeordnet. Das abge schiedene Öl wird über eine Öl-Rückführung 52 zur Schmierung von bewegten Teilen zurückgefördert.

Zwischen dem Scroll 44 und der Hochdruckkammer 48, also am Boden der Basis platte 44b, ist ein Flatterventil (Fingerfeder-Ventil) 54 als Abdeck- oder Verschließ teil angeordnet, mit welchem eine zentrale, hochdruckseitige Auslassöffnung 56 des Scrollteils 44 abgedeckt ist. Unter einem Flatterventil 54 ist hierbei insbeson dere ein Rückschlagventil zu verstehen, welches ohne sonstigen äußeren Antrieb, lediglich aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten in Durch lassrichtung öffnet und sich selbsttätig wieder schließt, also die Auslassöffnung 56 abdeckt.

Die Auslassöffnung 56 ist nachfolgend auch als Hauptauslass-Port bezeichnet. Radial beabstandet zu dem Hauptauslass-Port 56 sind zwei weitere Auslassöff nungen 58 (Fig. 4), als sogenannte Vor- oder Hilfsauslässe (Pre-Outlets) vorgese hen. Die Auslassöffnungen 58 sind nachfolgend auch als Nebenventil-Ports be zeichnet.

Das Flatterventil 54 ist einerseits als Hauptventil für die Auslassöffnung 56 und andererseits als Vor- oder Hilfsauslassventil für die Auslassöffnungen 58 des Scrollteils 44 vorgesehen, mit welchen eine Überkompression des Kältemittels 2 im Verdichterbetrieb vermieden wird. Dadurch ist ein druckregulierter Kältemittel ausstoß aus den Auslassöffnungen 56, 58 gewährleistet.

Zwischen dem A-seitigen Lagerschild 8 (Centerplate) und dem beweglicher Scroll 34 befindet sich eine Gegendruckkammer (Backpressure-Kammer) 60 als Teil ei nes nicht näher bezeichneten Gegendrucksystems. Die Gegendruckkammer 60 ist im Verdichtergehäuse 20 von der Basisplatte 34b des beweglichen Scrolls 34 be grenzt. Die Gegendruckkammer 60 erstreckt sich bereichsweise in die Basisplatte 34b des beweglichen Scrolls 34 hinein. Die Gegendruckkammer 60 ist mittels ei- ner Abdichtung 62 gegenüber der Basisplatte 34b abgedichtet.

Beim Betrieb des Kältemittelantriebs 2 wird das Kältemittel durch den Einlass in das Antriebsgehäuse 10 und dort in das Motorgehäuse 10a eingeleitet. Dieser Bereich des Antriebsgehäuses 10 bildet die Saug- oder Niederdruckseite des Scrollverdichters 6. Mittels der Gehäusezwischenwand 10b wird ein Eindringen des Kältemittels in das Elektronikfach 16 verhindert. Innerhalb des Antriebsgehäu ses 10 wird das Kältemittel-Öl-Gemischentlang des Rotors 24 und des Stators 26 durch eine Öffnung zu der Saug- oder Niederdruckkammer 46 des Scrollverdich ters 6 gesaugt. Mittels des Scrollverdichters 6 wird das Gemisch aus Kältemittel und Öl verdichtet, wobei das Öl der Schmierung der beiden Scrolls 34, 44 dient, sodass eine Reibung verringert und folglich ein Wirkungsgrad erhöht ist. Auch dient das Öl der Abdichtung, um ein unkontrolliertes Entweichen von dem zwi schen den beiden Scrolls (Scrollteilen) 34, 44 befindlichem Kältemittel zu vermei den.

Das verdichtete Gemisch aus Kältemittel und Öl wird über den zentralen Haupt- auslass-Port 56 in der Basisplatte 44b des feststehenden Scrolls 44 in die Hoch druckkammer 48 innerhalb des Verdichtergehäuses 20 geleitet. Innerhalb des Öl abscheiders 50 wird das Gemisch aus Kältemittel und Öl in eine Rotationsbewe- gung versetzt, wobei das schwerere Öl aufgrund der erhöhten Trägheit und erhöh ten Masse zu den Wänden des Ölabscheiders 50 geleitet und unter Einwirkung der Schwerkraft g in einem unteren Bereich des Ölabscheiders 50 gesammelt wird, während das Kältemittel nach oben oder seitlich durch den Auslass 18 abge- führt wird. Das Öl wird mittels der Öl-Rückführung 52, welche im unteren oder seit lichen Bereich des Ölabscheiders 50 mündet, erneut zu dem Elektromotor 12 ge leitet. Mit anderen Worten ist die Hochdruckkammer 48 mittels der Öl-Rückführung 52 fluidtechnisch mit der Niederdruckseite verbunden. Die Öl-Rückführung 52 ist beispielsweise als ein Bypasskanal mit einem Drosselorgan in Form einer Blende ausgeführt.

Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung A“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Drehachse des Elektromotors 12, also entlang der Längsrichtung des Kältemittelantriebs 2, verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung R“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Drehachse des Elektromotors 12 orientierte Richtung entlang eines Radius des Elektromotors 12 beziehungsweise der Scrollteile 34, 44 ver standen. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung T“ wird hier und im Fol- genden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Elektromotors (Um fangsrichtung, Azimutalrichtung) oder der Scrollteile 34, 44, also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden. In den Figuren ist die Richtung der Schwerkraft mit g bezeichnet und beispielhaft dargestellt. Im Montagezustand des Verdichters 6 greift der Spiralkörper beziehungsweise die Spiralwand 34a des beweglichen Scrollteils 34 in die Frei- oder Zwischenräume der Spiralwand 44a des feststehenden Scrollteils 44 ein. Zwischen den Scrolls 34, 44, dies bedeutet zwischen deren Scrollwänden bzw. Scrollspiralen 34a, 44a und den Basisplatten 34b, 44b sind Verdichterkammern gebildet, deren Volumen im Verdichterbetrieb verändert wird. Nachfolgend werden die Verdichterkammern auch in Saugkammern S, Kompressionskammern K und Ausstoßkammern D un terschieden.

Die Saugkammern S sind hierbei zur Niederdruckseite also zur Niederdruckkam- mer 46 geöffnet. Sobald die Saugkammern S durch die orbitierende Bewegung der Scrolls 34 verschlossen werden, werden sie zu Kompressionskammern K, de ren sichelförmiges Volumen im Zuge der orbitierenden Bewegung zur Spiralmitte hin sukzessiv verdichtet wird. Die Winkelposition der Motorwelle 22, bei welcher die Saugkammern S verschlossen werden, ist nachfolgend auch als 0°-Stellung bezeichnet. Die zwei radial innersten Kompressionskammern K bilden hierbei die Ausstoßkammern D. Die Ausstoßkammern D verbinden oder vereinigen sich in einem auch als „Merging“ bezeichneten Prozess zu einer gemeinsamen Auslass kammer DD, welche mittels der Auslassöffnung 56 das verdichtete Kaltem ittel-ÖI- Gemisch in die Hochdruckkammer 48 fördert. Die Winkelposition der Motorwelle 22, bei welcher die Ausstoßkammern D zu der Auslasskammer DD mergen, ist nachfolgend auch als Merging-Winkel oder Merging-Anlge bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Gegendrucksystem ermöglicht eine flexible und effektive Anpassung des Drucks in der Gegendruckkammer 60. In dem Ausführungsbei spiel steht die Gegendruckkammer 60 hierzu über zwei Fluidverbindungen 64, 66 mit den Verdichterkammern in Verbindung. Bei einem Scroll mit einer Scrolllänger 720° sind geeingeterweise mehr als zwei Fluidverbindungen (unter Ausnutzung der Symmetrie) vorgesehen. Jede Fluidverbindung verbindet hierbei eine unter schiedliche Verdichterkammer mit der Gegendruckkammer 60, wobei keine der Fluidverbindungen 64, 66 mit der Niederdruckkammer 46 kommuniziert. Die Fluid verbindungen 64, 66 sind hierbei als axiale Bohrungen in die Spiralwand 34a des orbitierenden Scrolls 34 eingebracht. Die Fluidverbindung 66 ist in der Fig. 5 und die Fluidverbindung 64 in der Fig. 6 einzeln dargestellt.

Wie in den Schnittdarstellungen der Fig. 5 und Fig. 6 vergleichsweise deutlich er sichtlich ist, sind die Fluidverbindungen 64, 66 jeweils als zwei axial ineinander mündende, beispielsweise koaxiale, Bohrungen mit unterschiedlichen Druchmes- sern ausgeführt. Die größere Bohrung mündet hierbei in die Gegendruckkammer 60 und die kleinere Bohrung in die Verdichterkammern beziehungsweise Vertie fungen 68. Die kleinere Bohrung dient hierbei als ein strömungsregelndes Drosse lorgan, wobei die größere Freibohrung lediglich einer einfacheren Herstellung dient.

Die beispielsweise kreisrunden Vertiefungen 68 in der Basisplatte 44b des fest stehenden Scrolls 44 sind derart dimensioniert, dass eine Leckage über die Spi ralwand 34a hinweg nicht möglich ist. Dies bedeutet, dass die Vertiefungen 68 einen Durchmesser aufweisen, welcher kleiner ist, als die Breite der Spiralwand 34a.

Die Fluidverbindungen 64, 66 sind hierbei derart angeordnet sind, dass die Fluid verbindungen 64, 66 zu keinem Zeitpunkt der orbitierenden Bewegung des be weglichen Scrolls 34 gemeinsam verdeckt oder verschlossen sind. Mit anderen Worten ist zu jedem Zeitpunkt vorzugsweise mindestens eine Fluidverbindung 64, 66 geöffnet.

Während eines Verdichtungszyklus sind beide Fluidverbindungen 64, 66 in jeweils unterschiedlichen Verdichtungsbereichen aktiv. Insbesondere steht im Wesentli chen der vollständige Verdichtungszyklus (Fig. 7) unter einer aktiven Fluidverbin dung zur Gegendruckkammer 60. Die Durchmesser der Fluidverbindungen 64, 66 sind hierbei mit den Querschnittsflächen der zugehörigen Verdichterkammern ge wichtet. Dies bedeutet, dass die innere Fluidverbindung 64 einen kleineren Durchmesser aufweist, als die nachfolgend äußere Fluidverbindung 66.

Die Fluidverbindungen 64, 66 sind in die axiale Anlagefläche der Spiralwand 34a (Spiral-Tip) des orbitierenden Scrolls 34 eingebracht. Wie beispielsweise in Fig. 3 ersichtlich ist, weist die Basisplatte 44b des feststehenden Scrolls 44 hierbei eine Anzahl von beispielsweise sickenförmigen oder Vertiefungen 68 auf, welche bei der Bewegung des orbitierenden Scrolls 34 von den Fluidverbindungen 64, 66 der Anlagefläche zumindest abschnittsweise überstrichen oder überfahren werden, so dass die Fluidverbindungen 64, 66 zumindest zeitweise zu einer jeweiligen Ver dichterkammer geöffnet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind je Fluid verbindung 64, 66 jeweils vier Vertiefungen 68 im Scroll 44 vorgesehen, welche entlang der kreisförmigen Bewegungsbahn der Fluidverbindungen 64, 66 verteilt angeordnet sind (Fig. 4). In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind der Fluidver bindung 64 lediglich drei Vertiefungen 68 zugeordnet, wobei die Auslassöffnung 56 als vierte Vertiefung wirkt. Die Vertiefungen 68 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Sobald der orbitierende Scroll 34 vollständig in Axialrichtung A am feststehenden Scroll 44 anliegt, wären im Normalfall die Fluidverbindungen 64, 66 der Anlageflä che vollständig verdeckt. Durch die Einschnitte oder Vertiefungen 68 im Boden des feststehenden Scrolls 44 ergeben sich jedoch zeitlich getaktete oder zeitlich geöffnete Fluidverbindungen 64, 66, wobei in der Fig. 5 und in der Fig. 6 ein Mas sestrom bei den geöffneten Fluidverbindungen 64, 66 mit einem Pfeil angedeutet ist. Aus stationärer Sicht stellt sich effektiv der gleiche Druck ein, wie bei durch gängig geöffneten Fluidverbindungen. Der Vorteil hieraus ist jedoch, dass derVer- lustmasstenstrom des Kältemittels durch das Gegendrucksystem deutlich geringer ausfällt. Des Weiteren wird die Reaktionsgeschwindigkeit beim Start des Scroll- verdichters 6 verbessert.

Die Funktionsweise des Gegendrucksystems sowie die zeitliche Taktung ist nach folgend anhand der Fig. 7 näher erläutert. In dem schematischen Wellenwinkel- Druck-Diagramm der Fig. 7 ist horizontal, also entlang der Abszissenachse (X- Achse), ein Wellenwinkel WW der Motorwelle 22 in Einheiten von Radiant (rad), und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ein Druck p, beispielsweise in Bar (bar), aufgetragen. In der Fig. 7 sind drei horizontale Linien 70, 72, 74 ge zeigt, welche unterschiedliche Druckniveaus kennzeichnen. Die Linie 70 entspricht einem Hochdruckniveau der Hochdruckkammer 48, die Linie 72 zeigt ein Gegen druckniveau der Gegendruckkammer 60, und die Linie 74 zeigt ein Niederdruckni veau der Niederdruckkammer 46.

In dem Diagramm der Fig. 7 sind drei Verdichtungsverläufe 76, 78, 80 für aufei nanderfolgende Verdichtungszyklen gezeigt, wobei der Verdichtungsverlauf 78 einen aktuellen Verdichtungszyklus darstellt, und wobei der Verdichtungsverlauf 76 einen vorherigen Verdichtungszyklus und der Verdichtungsverlauf 80 einen nachfolgenden Verdichtungszyklus zeigen.

In dem mit 82 bezeichneten Bereich des Verdichtungsverlaufs 78 ist die äußere Fluidverbindung 66 getaktet geöffnet, so dass eine aktive Fluidverbindung zwi schen einer Kompressionskammer K und der Gegendruckkammer 60 besteht. An dem Punkt 84 der Merge-Winkel vorliegt, also die Ausstoßkammern D zur Aus- lasskammer DD verschmelzen. In dem Bereich 86 ist die innere Fluidverbindung 64 geöffnet, so dass eine aktive Fluidverbindung zwischen einer Ausstoßkammer D beziehungsweise der Auslasskammer DD und der Gegendruckkammer 60 be steht.

Während eines Verdichtungszyklus 78 sind beide Fluidverbindungen 64, 66 in je weils unterschiedlichen Verdichtungsbereichen aktiv. Je nach Flochdruckniveau 70 und Niederdruckniveau 74 ist ein spezifischer Gegendruck notwendig, um die axiale Kraftkompensation des Gegendrucksystems zu gewährleisten. Durch die beiden Fluidverbindungen 64, 66 werden Kältemittelmassenströme 88 (mit Käl temittelmassenstrom ist immer auch ein gewisser Öl-Massenstrom Anteil gemeint) in und aus der Gegendruckkammer 60 geleitet. Die Massenströme 88 sind in der Fig. 7 als vertikale Pfeile gezeigt.

Die treibende Kraft ist hierbei die Druckdifferenz zwischen den Verdichtungskam mern K, D, DD und der Gegendruckkammer. Liegt der Druck einer fluidverbunde nen Verdichtungskammer niedriger als der in der Gegendruckkammer, so strömt Kältemittel aus der Gegendruckkammer in die Verdichtungskammer (Bereich 82 und Anfang Bereich 84). Ist es umgekehrt, so strömt Kältemittel aus der Verdich tungskammer in die Gegendruckkammer.

Durch die Fluidverbindungen 64, 66 ist ein interner Öl-Kreislauf realisiert, welcher Öl zu den Lagern 28, 42 in der Gegendruckkammer 60 fördert, und diese somit schmiert.

In den Figuren 8 und 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Scrollverdichters 6 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 68' nicht kreisförmig, sondern etwa oval, eiförmig oder nierenformig ausgebildet. Hierbei sind jeweils sechs Vertiefungen 68' für die Fluidverbindungen 64 und 66 vorgesehen, welche entlang deren Kreisbahnen verteilt angeordnet sind (Fig. 9). Hier sind somit sechs Öffnungstakte und sechs Schließungstakte realisiert. Dadurch wird der Verdich tungsprozess noch genau genug beobachtet, jedoch kann die Zeit einer aktiven Fluidverbindung auf die Hälfte gegenüber eine dauerhaft fluidverbundenen Boh- rung reduziert werden. Die Vertiefungen 68' sind in den Figuren lediglich beispiel haft mit Bezugszeichen versehen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem

Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu ver lassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbei spielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kom binierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

So können alle Ausführungsvarianten sowohl im orbitierenden Scroll 34 auch im feststehenden Scroll 44 sinngemäß umgesetzt werden oder umgekehrt. Die Posi tionierungsbedingungen gelten für den Scroll 44 gleichermaßen wie für den Scroll 34. Weiterhin kann die Einbringung der Fluidverbindungen auch auf die Scrolls 34, 44 aufgeteilt werden und somit teilweise im beweglichen Scroll 34 und im festste henden Scroll 44 umgesetzt werden.

Bezugszeichenliste

2 Kältemittelantrieb

4 Antrieb 6 Scrollverdichter

8 Lagerschild 10 Antriebsgehäuse 10a Motorgehäuse 10b Elektronikgehäuse 10c Zwischenwand 12 Elektromotor 14 Gehäusedeckel 16 Elektronikfach 18 Auslass 20 Verdichtergehäuse

22 Motorwelle 24 Rotor 26 Stator 28 Lager 30 Lagersitz

32 Dichtring 34 Scroll 34a Spiralwand 34b Basisplatte 36 Ausgleichsgewicht

38 Wellenzapfen

40 Wellenzapfen

42 Lager

44 Scroll 44a Spiralwand 44b Basisplatte 44c Begrenzungswand 46 Niederdruckkammer 48 Hochdruckkammer

50 Ölabscheider

52 Öl-Rückführung

54 Flatterventil 56 Auslassöffnung/Hauptauslass-Port

58 Auslassöffnung/Nebenventil-Port 60 Gegendruckkammer 62 Abdichtung 64 Fluidverbindung 66 Fluidverbindung

68, 68' Vertiefung

70, 72, 74 Linie 76, 78, 80 Verdichtungsverlauf 82 Bereich 84 Punkt

86 Bereich 88 Kältemittelmassestrom

A Axialrichtung R Radialrichtung

T Tangentialrichtung g Schwerkraft s Saugkammer K Kompressionskammer

D Ausstoßkammer

DD Auslasskammer ww Wellenwinkel

Druck