EP3445973A1 - Separatorvorrichtung zum abscheiden eines fluids, insbesondere eines schmierstoffs aus einem kühlmittelfluid - Google Patents

Separatorvorrichtung zum abscheiden eines fluids, insbesondere eines schmierstoffs aus einem kühlmittelfluid

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EP3445973A1
EP3445973A1 EP17719536.9A EP17719536A EP3445973A1 EP 3445973 A1 EP3445973 A1 EP 3445973A1 EP 17719536 A EP17719536 A EP 17719536A EP 3445973 A1 EP3445973 A1 EP 3445973A1
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EP
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inlet
separator device
separating
coolant
spring
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EP17719536.9A
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Oliver Obrist
Frank Obrist
Peter Giese
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OET GmbH
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OET GmbH
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Publication date
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    • F04C29/122—Arrangements for supercharging the working space
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F25B43/02—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat for separating lubricants from the refrigerant

Definitions

  • Separator device for separating a fluid, in particular a lubricant from a coolant fluid
  • the invention relates to a separator for separating a fluid, in particular a lubricant from a coolant fluid, which comprises a separating cylinder and a separating tube arranged coaxially therein.
  • the separation cylinder has at least one inlet for the coolant fluid
  • Cooling circuits of, for example, refrigerators or air conditioners typically include compressors for compressing a refrigerant whose mechanical components must be lubricated during operation by means of a lubricant. This causes that in the compressor
  • the lubricant is usually contained in the form of an oil mist and thus forms a coolant fluid with the coolant. It is understood that the remaining components of the cooling circuit may not be contaminated with lubricant, so that the separator on the compressor typically separator or oil separator are provided for separating the lubricant contained in the coolant fluid.
  • Separating cylinder is provided, which is typically part of a
  • Compressor housing is.
  • Such Separatorvoriquesen have an outlet for the largely freed from the lubricant coolant and another outlet, which with a reservoir for lubricant or oil
  • Coolant fluid introduced through an inlet in the separation cylinder.
  • the Coolant fluid circulates within the separation cylinder around the separation tube, with centrifugal forces acting on the components of the flow
  • Lubricant due to its higher mass first on an inner wall of the separating cylinder or the separating tube and flows downwards, whereas the gaseous refrigerant can escape through the separating tube in the opposite direction.
  • the escaping from the separation tube coolant is supplied to the other components of the cooling circuit. The secluded
  • Lubricant flows into the sump and thus can be recycled to lubricate the mechanical components of the compressor.
  • the published patent application DE 10 2008 013 784 AI shows a compressor with an oil separator for separating oil from a coolant.
  • the oil separator comprises a separating cylinder with inlet and outlet openings. Within the separation cylinder, a separation tube is used. In the upper part of the separation cylinder, an outlet for the coolant is provided, which is supplied to the coolant circuit after the lubricant or the oil has been removed. The lubricant or oil is fed via the lower part of the separating cylinder to a storage container.
  • a separation cylinder having an inlet region having at least one inlet for the coolant and an axially spaced outlet region for the separated fluid
  • a separation tube arranged coaxially in the separation cylinder, which extends at least over the inlet region of the separation cylinder such that the separation tube is spaced from the separation cylinder in the inlet region in the radial direction.
  • a spring-loaded closure element is arranged in the inlet region, which is designed to automatically regulate the flow velocity of the volume flow of the coolant aerosol flowing through the at least one inlet.
  • the invention is based on the observation that the degree of deposition depends significantly on the flow velocity of the coolant fluid within the separation cylinder. This flow rate depends on the volume flow entering the separator device and thus on the speed of the compressor. If this varies, the flow velocity of the coolant fluid at the separation tube changes accordingly, whereby the deposition process can be adversely affected. It is therefore desirable that
  • the effective passage cross section of the at least one inlet can be changed by means of the spring-loaded closure element.
  • the change in the effective passage cross section takes place automatically as a function of the inlet pressure prevailing at the inlet.
  • a complex, possibly electronic components requiring control and / or regulation is not necessary for this purpose.
  • the closure element is able to automatically regulate the deposition process within the separating cylinder in such a way that the
  • Flow rate of the coolant fluid in the separator is maintained at least approximately at a constant high level even at a varying speed of the compressor. This is accomplished by limiting the effective passage area of the inlet from the closure element at low pressures, whereas at higher inlet pressures Closing element automatically opens further. This causes a change in the volume flow flowing through the inlet such that the
  • a fluid in the sense of the present specification can be both a gas or a liquid.
  • the coolant used is preferably carbon dioxide (CO 2 ).
  • the coolant fluid may be, for example, an aerosol that includes components of the coolant and the lubricant. In other applications, the lubricant is completely or partially dissolved in the coolant fluid.
  • the spring-loaded closure element regulates the cross-sectional area of the inlet and thus the flow velocity of the inlet
  • Closure element need not necessarily be designed to completely close the inlet. It is essential that by means of the closure element of the incoming volume flow regulating flow passage in
  • the at least one inlet is thus automatically at least partially opened or closed again depending on the inlet pressure, which varies with the rotational speed of the compressor.
  • the prevailing within the separation cylinder flow conditions are characterized almost independent of the inlet pressure and the speed of the
  • Closing element designed such that the at least one inlet can be completely closed. If the inlet pressure falls below a predetermined substantially by the spring characteristic of the spring-loaded closure element Threshold, so no coolant fluid flows through the inlet into the separator. The flow rate of the coolant fluid flow within the separator device is therefore always above a minimum value in order to ensure a sufficient separation of coolant and lubricant.
  • the spring-loaded closure element may comprise a multi-part construction with closure and spring elements.
  • the spring-loaded closure element is designed as a bent leaf spring.
  • a one-piece design of a resilient closure element is thus given.
  • the leaf spring has a radius of curvature which is smaller than half the inner diameter of the separating cylinder.
  • the leaf spring is preferably inserted into the separating cylinder such that the effective
  • Passage cross section of the at least one inlet on the inside of the leaf spring can be limited.
  • Leaf spring variable.
  • the position of the leaf spring relative to the opening is determined by the pressure of the incoming fluid acting on the leaf spring.
  • the adjustability is influenced by the degree of stiffness of the leaf spring.
  • the preferred spring stiffness is in a range that a deflection of 0, 1 to 5 bar / mm is achieved.
  • the leaf spring is formed spirally.
  • the radius of curvature can be adjusted to the degree of regulation of the inlets and the number of inlets.
  • the radius of curvature of the leaf spring for example, progressive
  • Spring characteristic lines are formed, which can be used in particular to suitably regulate the flow behavior within the separator at particularly high and / or low inlet pressures.
  • Closure element has the further advantage that effectively effective flow channels are defined, which deflect the entering volume flow in the tangential direction. This has the consequence that the tangential component of
  • the at least one inlet has a guide channel which extends at least in sections in a direction deviating from the radial direction, so that the volume flow in the
  • a plurality of circumferentially arranged around the separating cylinder inlets are preferably provided. Through several inlets can be the
  • the inlets are arranged in a direction perpendicular to the axial direction of the row. This promotes the inflow of the volume flow in the tangential direction in the separation cylinder.
  • the entirety of the inlets can preferably be closed on the inside by the spring-loaded closure element.
  • the invention further relates to a compressor, such as a compressor of an air conditioner, in particular of a motor vehicle, with such
  • a separator assembly which provides the associated advantages directly from the above description, in particular, a sufficiently good separation of the lubricant can be ensured even at variable speed of the compressor.
  • the compressor is designed such that the separator can be arranged as a separate unit within a compressor housing and detachably connectable with this.
  • the separator device forms a separate module which can be inserted into the compressor. This simplifies the function test or maintenance of the separator device or the compressor in a particularly advantageous manner.
  • FIG. 1 shows a housing cover of a compressor housing comprising a
  • FIG. 2 shows a side view of the housing cover from FIG. 1,
  • FIG. 6 shows a plan view of a separating cylinder with closure element according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows a spring-loaded closure element from FIG. 6 in one
  • FIG. 2 show a housing cover 2 with a separator device 1 according to one exemplary embodiment. The location of the in FIG. 2 shown
  • Section plane II can be seen in the plan view of FIG. Of the
  • Housing cover 2 is part of a compressor 20, which is within a
  • Coolant circuit for compressing a coolant fluid containing lubricant and coolant.
  • the coolant fluid is in at least one
  • Lubricant In another application, especially when carbon dioxide (C0 2 ) is provided as a coolant, the lubricant may also be at least partially dissolved in the coolant.
  • the lubricant is usually oil, which is intended to lubricate the mechanical parts of the compressor continuously.
  • the oil is usually introduced in the form of a mist in the coolant fluid.
  • the separator device 1 comprises a separating cylinder 6 with several
  • Compressor 20 stand.
  • the coolant fluid flows from the compressor via the inlets 4 into an inlet region 5 of the separator device 1.
  • Separating cylinder 6 is within a hollow cylindrical portion 13 of the
  • Housing cover 2 for example, arranged by means of a clearance fit.
  • the separator device 1 inserted into the hollow-cylindrical section 13 can be removed as a separate module, in particular for maintenance or repair purposes; for this purpose, it is necessary at most to release a reversible connection, such as, in particular, a screw connection.
  • the housing cover 2 further comprises an outlet region 3 which communicates via a collection basin connection 9 with a collection basin (not shown) for collecting separated fluid.
  • the section 13 is in operative connection with a not shown cooling circuit.
  • this may be the refrigeration cycle of a refrigerator or an air conditioner.
  • the lubricant or the oil must first be separated.
  • a separation pipe 7 is arranged coaxially, which has a
  • Tube section 10 of reduced diameter which extends in the direction of the outlet 3.
  • a separating pipe section 14 is arranged, which has a larger cross section than the pipe section 10.
  • the diameter of the pipe section 10 is about half of the separating cylinder 6.
  • the separating pipe section 14 has an overall cross section on, which is roughly the cross section of the
  • Separating cylinder 6 corresponds in this area.
  • the pipe section 10 of reduced diameter extends over the inlet portion 5, so that the separation cylinder 6 and the separation pipe 7 in this area in the radial direction
  • a plurality of inlets 4 can be arranged on the separating cylinder 6.
  • the inlets 4 are arranged in the exemplary embodiment shown in a direction perpendicular to the axis AI series.
  • FIG. 3A The position of the sectional plane HIB shown in FIG. 3B and the position of the sectional plane IV shown in FIG. 4 can be seen in FIG. 3A.
  • FIG. 2, FIGS. 3A to 3C and FIG. 5 show a closure element 8 according to one exemplary embodiment.
  • the closure element 8 comprises a spring element, which is designed as a leaf spring 11.
  • the leaf spring 11 has in this
  • Embodiment a radius of curvature which is smaller than half of the inner diameter of the separating cylinder 6.
  • the radius of curvature of the leaf spring 11 varies slightly, so that the leaf spring 11 in the inlet region 5 of
  • Separating cylinder 6 define flow channels for the inflowing coolant fluid, which favor a circulation of the coolant fluid in the tangential direction around the separation pipe 7.
  • the closure element 8 is arranged inside the separating cylinder 6 around the separating tube 7, in particular in the region of the tube section 10.
  • the leaf spring 11 is arranged so that it or the inlets 4 depending on the inlet pressure partly, completely or not at all occluding a penetrating volumetric flow.
  • the coolant fluid is introduced as a volume flow via the inlet region 5 into the separator device 1.
  • the inlet pressure generated by the compressor exerts a force on the spring element or on the leaf spring 11 of the
  • Spring stiffness can be set in a range of 0, 1 to 5 bar / mm. This effective passage cross-section, which is dependent on the inlet pressure, determines with which flow rate the coolant fluid flows into the separating cylinder 6. The deposition process is thus regulated via the flow velocity of the volume flow.
  • the inlets 4 and their guide channels 15 of the leaf spring 11 at least partially closed inside and open and thus regulate the inlet of the coolant fluid flow such that a constant high flow velocity of the coolant fluid within the separation cylinder 6 regardless of the speed of the Compressor is present.
  • This is made possible by the variation of the passage cross section of the inlets 4 by means of the leaf spring 11, to which the continuously flowing volume flow exerts a force.
  • the closure element 8 therefore provides an entering
  • the coolant fluid circulates in the embodiment shown in the tangential direction Z to the pipe section 10 of the separator tube 7 similar to one
  • Coolant fluid, the lubricant or the oil due to its higher mass is thrown against the inner wall of the separating cylinder 6 from the flow and accumulates there.
  • the oil particles then flow or move within the separation cylinder 6 in a direction A.
  • the lighter coolant rises through the separation pipe 7 and is in the direction R via a cooling circuit connection 12 the
  • Each inlet 4 may further comprise a guide channel 15 which extends in a direction deviating from the radial direction, so that the
  • Volumetric flow flows essentially in the tangential direction in the separation cylinder.
  • pressure relief valve 25 may be provided, which is arranged between the separating cylinder 6 and the reservoir for the oil. Due to the prevailing pressure during the deposition, the pressure relief valve 25 is usually open to drain the oil. Since no pressure difference is present during non-operation, or at standstill of the device, the pressure relief valve 25 is closed, thus preventing the return flow of the coolant fluid in the
  • FIG. 6 shows a plan view of a compressor housing 20 with one
  • the closure element 80 is shown in perspective in FIG.
  • the shutter member 80 according to the other embodiment comprises a leaf spring 110 and is disposed in or on the separation cylinder 60 so as to open or close an inlet 40 to move the same
  • the positioning, or the curvature of the leaf spring 110 can be changed until this at maximum
  • Leaf spring 110 is bent as far back to the maximum, until the leaf spring 110 reaches the stop 30, and the inlet 40 is fully open.
  • the deflection of the leaf spring 110 as a function of the inlet pressure is of the
  • a spring edge 111 of the leaf spring 110 terminates with a sealing edge 112 of the separating cylinder 60 and closes the inlet 40, or the guide channel 150 completely when the pressure falls below a predetermined by the spring stiffness limit.
  • the deflection of the leaf spring 110 thus depends on the pressure, so that a self-regulation of

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorvorrichtung zum Abscheiden eines Fluids, insbesondere eines Schmierstoffs aus einem Kühlmittelfluid, umfassend einen Trennzylinder (6, 60) mit einem zumindest einen Einlass (4, 40) für das Kühlmittelfluid aufweisenden Einlassbereich (5) und einem davon in axialer Richtung beabstandeter Auslassbereich (3) für das abgeschiedene Fluid, und ein koaxial im Trennzylinder (6, 60) angeordnetes Trennrohr (7), welches sich zumindest über den Einlassbereich (5) des Trennzylinders (6, 60) derart erstreckt, dass das Trennrohr (7) vom Trennzylinder (6, 60) im Einlassbereich (5) in radialer Richtung beabstandet ist, gekennzeichnet durch ein im Einlassbereich (5) angeordnetes federbelastetes Verschlusselement (8, 80), welches dazu ausgebildet ist, die Strömungsgeschwindigkeit des durch den zumindest einen Einlass (4, 40) hindurchströmenden Volumenstroms des Kühlmittelfluids selbstätig zu regulieren.

Description

Separatorvorrichtung zum Abscheiden eines Fluids, insbesondere eines Schmierstoffs aus einem Kühlmittelfluid
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Separatorvorrichtung zum Abscheiden eines Fluids, insbesondere eines Schmierstoffs aus einem Kühlmittelfluid, welches einen Trennzylinder und ein darin koaxial angeordnetes Trennrohr umfasst. Der Trennzylinder weist ein zumindest einen Einlass für das Kühlmittelfluid
aufweisenden Einlassbereich und ein davon in axialer Richtung beabstandeter Auslassbereich für das abgeschiedene Fluid auf. Das Trennrohr erstreckt sich zumindest über den Einlassbereich des Trennzylinders derart, dass das Trennrohr vom Trennzylinder im Einlassbereich in radialer Richtung beabstandet ist. Kühlkreisläufe von beispielsweise Kühlschränken oder Klimaanlagen umfassen typischer Weise Kompressoren zum Verdichten eines Kühlmittels, deren mechanische Bauteile während des Betriebs mittels eines Schmierstoffs geschmiert werden müssen. Dies führt dazu, dass das im Kompressor
komprimierte Kühlmittel unweigerlich mit Schmierstoff, insbesondere Öl verunreinigt wird. Der Schmierstoff ist in der Regel in Form eines Ölnebels enthalten und bildet somit mit dem Kühlmittel ein Kühlmittelfluid. Es versteht sich, dass die übrigen Komponenten des Kühlkreislaufs nicht mit Schmierstoff verunreinigt werden dürfen, so dass auslassseitig am Kompressor typischerweise Separatorvorrichtungen bzw. Ölabscheider zum Abtrennen des im Kühlmittelfluid enthaltenen Schmierstoffs vorgesehen sind .
Aus dem Stand der Technik sind Separatorvorrichtungen für Kompressoren bekannt, bei denen ein Trennrohr (oder Tauchrohr) innerhalb eines
Trennzylinders vorgesehen ist, welcher typischerweise Teil eines
Kompressorgehäuses ist. Derartige Separatorvorrichtungen weisen einen Auslass für das vom Schmierstoff weitgehend befreite Kühlmittel auf und einen weiteren Auslass, welcher mit einem Sammelbehälter für Schmierstoff bzw. Öl
fluidtechnisch verbunden ist. Zum Trennen des Kühlmittels vom Schmierstoff wird das komprimierte
Kühlmittelfluid durch einen Einlass in den Trennzylinder eingebracht. Das Kühlmittelfluid zirkuliert innerhalb des Trennzylinders um das Trennrohr herum, wobei Flieh- bzw. Zentrifugalkräfte auf die Bestandteile des strömenden
Kühlmittelfluids einwirken. Anteile des Schmierstoffs weisen für gewöhnlich eine höhere Masse auf als das typischerweise gasförmige Kühlmittel, so dass der Schmierstoff vom Kühlmittel durch die auf das Kühlmittelfluid einwirkenden Fliehbzw. Zentrifugalkräfte abgetrennt werden kann. Dabei sammelt sich der
Schmierstoff aufgrund seiner höheren Masse zunächst an einer Innenwand des Trennzylinders oder des Trennrohrs und fließt nach unten ab, wohingegen das gasförmige Kühlmittel durch das Trennrohr in entgegengesetzter Richtung entweichen kann. Das aus dem Trennrohr entweichende Kühlmittel wird den weiteren Komponenten des Kühlkreislaufs zugeführt. Der abgeschiedene
Schmierstoff fließt in den Sammelbehälter und kann somit zum Schmieren der mechanischen Bestandteile des Kompressors zurückgeführt werden. Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 013 784 AI zeigt einen Kompressor mit einem Ölseparator zum Trennen von Öl aus einem Kühlmittel . Der Ölseparator umfasst einen Trennzylinder mit Eingangs- und Ausgangsöffnung . Innerhalb des Trennzylinders ist ein Trennrohr eingesetzt. Im oberen Teil des Trennzylinders ist ein Auslass für das Kühlmittel vorgesehen, welches dem Kühlmittelkreislauf zugeführt wird, nachdem der Schmierstoff bzw. das Öl entfernt wurde. Der Schmierstoff bzw. das Öl wird über den unteren Teil des Trennzylinders einem Speicherbehälter zugeführt.
Ein beim Betrieb derartiger Separatorvorrichtungen auftretendes Problem besteht darin, dass oftmals keine konstant guten Trennergebnisse bei variierenden Betriebsbedingungen erzielt werden können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Separatorvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine
hinreichende Trennung von Schmier- und Kühlmittel auch bei variierenden Betriebsbedingungen ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Separatorvorrichtung mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Eine Separatorvorrichtung zum Abscheiden eines Fluids, insbesondere eines Schmierstoffs aus einem Kühlmittelfluid umfasst
einen Trennzylinder mit einem zumindest einen Einlass für das Kühlmittel aufweisenden Einlassbereich und einen davon in axialer Richtung beabstandeter Auslassbereich für das abgeschiedene Fluid, und
ein koaxial im Trennzylinder angeordnetes Trennrohr, welches sich zumindest über den Einlassbereich des Trennzylinders derart erstreckt, dass das Trennrohr vom Trennzylinder im Einlassbereich in radialer Richtung beabstandet ist.
Gemäß der Erfindung ist im Einlassbereich ein federbelastetes Verschlusselement angeordnet, welches dazu ausgebildet ist, die Strömungsgeschwindigkeit des durch den zumindest einen Einlass hindurchströmenden Volumenstroms des Kühlmittelaerosols selbsttätig zu regulieren.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zu Grunde, dass der Grad der Abscheidung maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelfluids innerhalb des Trennzylinders abhängt. Diese Strömungsgeschwindigkeit hängt von dem in die Separatorvorrichtung eintretenden Volumenstrom und damit von der Drehzahl des Kompressors ab. Variiert diese, verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelfluids am Trennrohr entsprechend, wodurch der Abscheidevorgang negativ beeinflusst werden kann. Es ist daher wünschenswert, die
Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von der Drehzahl in einem konstanten, vorzugsweise in einem konstant hohen Bereich zu halten.
Der effektive Durchlassquerschnitt des zumindest einen Einlasses ist mittels des federbelasteten Verschlusselements veränderbar. Die Veränderung des effektiven Durchlassquerschnitts erfolgt selbsttätig in Abhängigkeit des am Einlass vorherrschenden Einlassdruckes. Eine aufwändige, unter Umständen elektronische Bauteile erfordernde Steuerung und/oder Regelung ist hierzu nicht nötig . Das Verschlusselement ist dazu in der Lage, den Abscheidevorgang innerhalb des Trennzylinders derart selbsttätig zu regulieren, dass die
Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelfluids in der Separatorvorrichtung auch bei einer variierenden Drehzahl des Kompressors zumindest näherungsweise auf einem konstant hohen Niveau gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der effektive Durchlassquerschnitt des Einlasses vom Verschlusselement bei niedrigen Drücken begrenzt wird, wohingegen bei höheren Einlassdrücken das Verschlusselement selbsttätig weiter öffnet. Dies bewirkt eine Veränderung des den Einlass durchströmenden Volumenstroms derart, dass die
Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelfluids um das Trennrohr nahezu konstant ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Stillstand des Kompressors ein Rückfluss des Kühlmittelfluids in den Kompressor durch das Schließen des Einlasses bei ausbleibendem Volumenstrom verhindert bzw. zumindest reduziert wird. Ein Fluid im Sinne der vorliegenden Spezifikation kann sowohl ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Als Kühlmittel wird bevorzugt Kohlenstoffdioxid (C02) verwendet. Das Kühlmittelfluid kann beispielsweise ein Aerosol sein, welches Bestandteile des Kühlmittels und des Schmierstoffs beinhaltet. In anderen Anwendungen ist der Schmierstoff ganz oder teilweise im Kühlmittelfluid gelöst.
Vorzugsweise reguliert das federbelastete Verschlusselement die Querschnittfläche des Einlasses und damit die Strömungsgeschwindigkeit des
Volumenstroms des Kühlmittelaerosols in Abhängigkeit des Einlassdruckes selbsttätig. Das eintretende Kühlmittelfluid übt eine Kraft auf das federbelastete Verschlusselement aus, um dieses entsprechend auszulenken. Das
Verschlusselement muss nicht zwingend dazu ausgebildet sein, den Einlass vollständig zu verschließen. Wesentlich ist, dass mittels des Verschlusselements der den eintretenden Volumenstrom regulierende Durchlassquerschnitt in
Abhängigkeit des Einlassdruckes selbsttätig veränderbar ist, wobei die
Einlasscharakteristik im Wesentlichen von der Federkennlinie des
Verschlusselements vorgegeben ist. Der zumindest eine Einlass wird somit in Abhängigkeit des Einlassdrucks, welcher mit der Drehzahl des Kompressors variiert, selbsttätig zumindest teilweise geöffnet oder wieder verschlossen. Die innerhalb des Trennzylinders vorherrschenden Strömungsverhältnisse sind dadurch nahezu unabhängig vom Einlassdruck bzw. von der Drehzahl des
Kompressors, so dass ein gutes Trennergebnis auf nahezu konstant hohem
Niveau sichergestellt werden kann.
Gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das
Verschlusselement derart ausgebildet, dass der zumindest eine Einlass vollständig geschlossen werden kann. Unterschreitet der Einlassdruck einen im Wesentlichen von der Federkennlinie des federbelasteten Verschlusselements vorgegebenen Schwellwert, so strömt kein Kühlmittelfluid durch den Einlass in den Separator ein. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelfluidstroms innerhalb der Separatorvorrichtung liegt daher stets über einem Minimalwert, um eine hinreichende Trennung von Kühlmittel und Schmierstoff sicherzustellen.
Prinzipiell kann das federbelastete Verschlusselement einen mehrteiligen Aufbau mit Verschluss- und Federelementen umfassen. Bevorzugt ist das federbelastete Verschlusselement jedoch als gebogene Blattfeder ausgeführt. Mit anderen Worten ist somit eine einteilige Ausführung eines federnden Verschlusselements gegeben. Derartige Ausführungen sind besonders robust und verschleißarm und eigenen sich somit im besonderen Maße für den Dauergebrauch.
Besonders bevorzugt weist die Blattfeder einen Krümmungsradius auf, der kleiner ist als die Hälfte des Innendurchmessers des Trennzylinders. Die Blattfeder ist vorzugsweise derart in den Trennzylinders eingesetzt, dass der effektive
Durchlassquerschnitt des zumindest einen Einlasses innenseitig von der Blattfeder begrenzt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist der Krümmungsradius der
Blattfeder variabel . Vorteilhafterweise wird die Position der Blattfeder relativ zur Öffnung durch den Druck des hereinströmenden Fluids bestimmt, der auf die Blattfeder wirkt. Beeinflusst wird die Verstellbarkeit durch das Maß der Steifigkeit der Blattfeder. Die bevorzugte Federsteifigkeit liegt in einem Bereich, dass eine Auslenkung von 0, 1 bis 5 bar/mm erreicht wird. In einem konkreten
Ausführungsbeispiel ist die Blattfeder spiralförmig ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise kann der Krümmungsradius dem Maß der Regulation der Einlasse und der Anzahl der Einlasse angepasst werden. Durch eine Variation des Krümmungsradius der Blattfeder können beispielsweise progressive
Federkennlinien ausgebildet werden, die insbesondere dazu eingesetzt werden können, um das Strömungsverhalten innerhalb der Separatorvorrichtung bei besonderes hohen und/oder niedrigen Einlassdrücken geeignet zu regulieren. Zudem hat eine spiralförmige Ausbildung der Blattfeder bzw. des
Verschlusselements den weiteren Vorteil, dass hiervon effektiv Strömungskanäle definiert werden, die den eintretenden Volumenstrom in tangentialer Richtung ablenken. Dies hat zur Folge, dass die tangentiale Komponente der
Strömungsgeschwindigkeit des das Trennrohr umströmenden Kühlmittelfluidstroms und damit die auftretenden Fliehkräfte maximiert werden. Somit ist eine besonders effiziente Trennung gegeben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der zumindest eine Einlass einen Führungskanal auf, der sich zumindest abschnittsweise in eine von der radialen Richtung abweichende Richtung erstreckt, so dass der Volumenstrom im
Wesentlichen in tangentialer Richtung in den Trennzylinder einströmt. Eine Einleitung des Volumenstroms in tangentialer Richtung begünstigt die Zirkulation des Volumenstroms um das Trennrohr herum und somit die Trennung der im Kühlmittelfluid enthaltenen Bestandteile unter Einwirkung der auftretenden Fliehbzw. Zentrifugalkräfte.
Weiterhin sind vorzugsweise mehrere umfänglich um den Trennzylinder angeordnete Einlässe vorgesehen. Durch mehrere Einlässe lässt sich die
Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms durch das Verschlusselement noch genauer regulieren. Beispielsweise ist es so möglich, bei vier Einlässen nur den ersten Einlass zu verschließen, um so Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit zu nehmen. Vorteilhaft sind die Einlässe in einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Reihe angeordnet. Dies begünstigt das Einströmen des Volumenstroms in tangentialer Richtung in den Trennzylinder.
Die Gesamtheit der Einlässe ist bevorzugt innenseitig vom federbelasteten Verschlusselement verschließbar. Vorteilhafterweise ist es somit möglich, bei ausgeschaltetem Kompressor einen Rücklauf des Kühlmittelaerosols zu
verhindern.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kompressor, beispielsweise ein Kompressor einer Klimaanlage insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer derartigen
Separatorvorrichtung. Die damit verbundenen Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der vorstehenden Beschreibung, insbesondere kann eine hinreichend gute Abtrennung des Schmierstoffs auch bei variabler Drehzahl des Kompressors sichergestellt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Kompressor mit einer
Abscheideeinrichtung zum Abscheiden eines Fluids aus einem fluidhaltigen Aerosol vorgesehen. Bevorzugt ist der Kompressor derartig ausgebildet, dass die Separatorvorrichtung als separate Einheit innerhalb eines Kompressorgehäuses anordenbar und mit diesem lösbar verbindbar ist. Mit anderen Worten bildet die Separatorvorrichtung ein separates Modul, welches in den Kompressor eingesetzt werden kann. Dies vereinfacht auf besonders vorteilhafte Weise die Funktionsprüfung bzw. Wartung der Separatorvorrichtung bzw. des Kompressors.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen
FIG 1 einen Gehäusedeckel eines Kompressorgehäuses umfassend eine
Separatorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht,
FIG 2 eine Seitenansicht des Gehäusedeckels aus FIG 1,
FIG 3A eine Separatorvorrichtung mit einem federbelasteten
Verschlusselement gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
FIG 3B die Separatorvorrichtung aus FIG 3A in einer Schnittdarstellung,
FIG 3C die Separatorvorrichtung aus FIG 3A in einer perspektivischen
Darstellung, wobei ein Trennzylinder zur besseren Darstellung transparent dargestellt ist
FIG 4 eine Draufsicht auf den Trennzylinder in einer weiteren
Schnittdarstellung,
FIG 5 das federbelastete Verschlusselement in einer perspektivischen
Darstellung,
FIG 6 eine Draufsicht auf einen Trennzylinder mit Verschlusselement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
FIG 7 ein federbelastetes Verschlusselement aus FIG 6 in einer
perspektivischen Darstellung. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 und FIG 2 zeigen einen Gehäusedeckel 2 mit einer Separatorvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Lage der in FIG. 2 gezeigten
Schnittebene II kann der Draufsicht der FIG 1 entnommen werden. Der
Gehäusedeckel 2 ist Teil eines Kompressors 20, der innerhalb eines
Kühlmittelkreises zur Kompression eines Kühlmittelfluids, welches Schmierstoff und Kühlmittel enthält. Das Kühlmittelfluid ist dabei in zumindest einem
konkreten Anwendungsfall ein heterogenes Gemisch aus Kühlmittel und
Schmierstoff. In einem anderen Anwendungsfall, insbesondere wenn Kohlendioxid (C02) als Kühlmittel vorgesehen ist, kann der Schmierstoff auch zumindest teilweise im Kühlmittel gelöst sein. Bei dem Schmierstoff handelt es sich üblicherweise um Öl, welches dazu vorgesehen ist, um die mechanischen Teile des Kompressors laufend zu schmieren. Das Öl ist üblicherweise in Form eines Nebels in das Kühlmittelfluid eingebracht.
Die Separatorvorrichtung 1 umfasst einen Trennzylinder 6 mit mehreren
Einlässen 4, welche in fluidischer Verbindung mit einem Innenbereich des
Kompressors 20 stehen. Das Kühlmittelfluid strömt vom Kompressor über die Einlässe 4 in einen Einlassbereich 5 der Separatorvorrichtung 1 ein. Der
Trennzylinder 6 ist innerhalb eines hohlzylindrischen Abschnitts 13 des
Gehäusedeckels 2 beispielsweise mittels einer Spielpassung angeordnet. Die in den hohlzylindrischen Abschnitt 13 eingesetzte Separatorvorrichtung 1 kann als separates Modul insbesondere zu Wartungs- oder Reparaturzwecken entnommen werden, hierzu ist allenfalls das Lösen einer reversiblen Verbindungen wie insbesondere Schraubverbindung notwendig . Der Gehäusedeckel 2 umfasst ferner einen Auslassbereich 3, der über einen Sammelbeckenanschluss 9 in Verbindung mit einem Sammelbecken (nicht abgebildet) zum Sammeln von abgeschiedenen Fluid steht.
Uber einen Kühlmittelanschluss 12 steht der Abschnitt 13 in Wirkverbindung mit einem nicht abgebildeten Kühlkreislauf. Beispielsweise kann dies der Kühlkreislauf eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage sein. Um zu vermeiden, dass das Schmierstoff enthaltende Kühlmittelfluid in den Kühlkreislauf gerät, muss der Schmierstoff bzw. das Öl zuvor abgeschieden werden. Im Trennzylinder 6 ist ein Trennrohr 7 koaxial angeordnet, welches einen
Rohrabschnitt 10 mit verkleinertem Durchmesser aufweist, welches sich in Richtung des Auslassbereichs 3 erstreckt. Auf der dem Kühlkreisanschluss 12 zugewandten Seite ist ein Trennrohrabschnitt 14 angeordnet, welcher einen größeren Querschnitt aufweist als der Rohrabschnitt 10. In dem gezeigten, nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser des Rohrabschnitts 10 etwa die Hälfte des Trennzylinders 6. Der Trennrohrabschnitt 14 weist einen Gesamtquerschnitt auf, der in etwa dem Querschnitt des
Trennzylinders 6 in diesem Bereich entspricht. Der Rohrabschnitt 10 mit verringertem Durchmesser erstreckt sich über den Einlassbereich 5, so dass Trennzylinder 6 und Trennrohr 7 in diesem Bereich in radialer Richtung
voneinander beabstandet sind. Das durch den Einlass 4 hindurchströmende Kühlmittelfluid strömt zwischen der Innenwandung des Trennzylinders 6 und der Außenwandung des Trennrohrs 7 in umfänglicher Richtung, wobei auf das Kühlmittelfluid Fliehkräfte einwirken. Mit anderen Worten arbeitet die
Separatorvorrichtung nach Art eines Fliehkraftabscheiders.
Wie die FIG 3A bis 3C zeigen, können auf dem Trennzylinder 6 mehrere Einlässe 4 angeordnet sein. Die Einlässe 4 sind in dem gezeigten Ausführungsbespiel in einer senkrecht zur Achse AI verlaufenden Reihe angeordnet.
Die Lage der in FIG 3B gezeigten Schnittebene HIB und die Lage der in FIG 4 gezeigten Schnittebene IV kann FIG 3A entnommen werden.
Die FIG 2, FIG 3A bis 3C und FIG 5 zeigen ein Verschlusselement 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verschlusselement 8 umfasst ein Federelement, welches als Blattfeder 11 ausgeführt ist. Die Blattfeder 11 weist in diesem
Ausführungsbeispiel einen Krümmungsradius auf, der kleiner ist als die Hälfte des Innendurchmessers des Trennzylinders 6. Der Krümmungsradius der Blattfeder 11 variiert geringfügig, so dass die Blattfeder 11 im Einlassbereich 5 des
Trennzylinders 6 Strömungskanäle für das einströmende Kühlmittelfluid definieren, die eine Zirkulation des Kühlmittelfluids in tangentialer Richtung um das Trennrohr 7 begünstigen. Das Verschlusselement 8 ist innerhalb des Trennzylinders 6 um das Trennrohr 7, insbesondere im Bereich des Rohrabschnitts 10 angeordnet. Die Blattfeder 11 ist dabei so angeordnet, dass es den oder die Einlässe 4 abhängig vom Einlassdruck eines eindringenden Volumenstroms teilweise, vollständig oder gar nicht verschließt.
Das Kühlmittelfluid wird als Volumenstrom über den Einlassbereich 5 in die Separatorvorrichtung 1 eingebracht. Der kompressorseitig erzeugte Einlassdruck übt eine Kraft auf das Federelement bzw. auf die Blattfeder 11 des
Verschlusselements 8 aus und öffnet das Verschlusselement 8 dadurch. Es ist also abhängig vom Einlassdruck, in wie weit sich das Verschlusselement 8 öffnet, durch Einflussnahme des Drucks auf die Position der Blattfeder 11 relativ zur Öffnung, das heißt, den Abstand eines Endes der Blattfeder 11 zu einer
Dichtkante des Trennzylinders. Diesem Zusammenhang liegt die Formel
Federsteifigkeit C = Druck p / Weg s zugrunde. Bevorzugt kann die
Federsteifigkeit in einem Bereich von 0, 1 bis 5 bar/mm eingestellt werden. Dieser vom Einlassdruck abhängige effektive Durchlassquerschnitt bestimmt, mit welcher Strömungsgeschwindigkeit das Kühlmittelfluid in den Trennzylinder 6 einfließt. Der Abscheidungsvorgang wird somit über die Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms reguliert. Die innerhalb der Separatorvorrichtung 1
vorherrschenden Strömungsverhältnisse bleiben dabei im Wesentlichen
unabhängig von der Drehzahl des Kompressors. Wie die FIG 4 verdeutlicht, können die Einlässe 4 und deren Führungskanäle 15 von der Blattfeder 11 zumindest teilweise innerseitig geschlossen und geöffnet werden und somit den Einlass des Kühlmittelfluidstroms derart regulieren, dass eine konstant hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelfluids innerhalb des Trennzylinders 6 unabhängig von der Drehzahl des Kompressors vorliegt. Dies wird durch die Variation des Durchlassquerschnitts der Einlässe 4 mittels der Blattfeder 11 ermöglicht, auf die der kontinuierlich einfließende Volumenstrom eine Kraft ausübt. Das Verschlusselement 8 stellt daher ein die eintretende
Strömungsgeschwindigkeit selbsttätig regulierendes Element bereit. Das Kühlmittelfluid zirkuliert im gezeigten Ausführungsbeispiel in tangentialer Richtung Z um den Rohrabschnitt 10 des Trennrohrs 7 ähnlich eines
Wirbelsturms. Durch das Wirken der Flieh- bzw. Zentrifugalkräfte auf das
Kühlmittelfluid wird der Schmierstoff bzw. das Öl auf Grund dessen höherer Masse gegen die Innenwandung des Trennzylinders 6 aus der Strömung geschleudert und sammelt sich dort an. Die Ölpartikel fließen oder bewegen sich anschließend innerhalb des Trennzylinders 6 in einer Richtung A zum
Auslassbereich 3 und werden über einen Sammelbeckenanschluss 9 in ein Sammelbecken geleitet. Das leichtere Kühlmittel hingegen steigt durch das Trennrohr 7 und wird in Richtung R über einen Kühlkreisanschluss 12 dem
Kühlkreis zugeführt. Später wird das sich im Sammelbecken befindliche Öl wieder mit Kühlmittel vermischt, um erneut ein Kühlmittelaerosol zu bilden und den Kompressorteilen wieder zugeführt werden zu können.
Jeder Einlass 4 kann ferner einen Führungskanal 15 umfassen, der sich in eine von der radialen Richtung abweichende Richtung erstreckt, so dass der
Volumenstrom im Wesentlichen in tangentialer Richtung in den Trennzylinder einströmt.
Weiterhin ist es möglich, dass bei Stillstand des Kompressors 20 ein Rückfluss des Kühlmittelfluids in den Kompressor 20 verhindert wird, wenn die Einlässe 4 verschlossen sind . Hierzu kann beispielsweise ein in den FIG 2 und 3A bis 3C ersichtliches Überdruckventil 25 vorgesehen sein, das zwischen Trennzylinder 6 und dem Sammelbecken für das Öl angeordnet ist. Durch den vorherrschenden Druck während der Abscheidung ist das Überdruckventil 25 üblicherweise geöffnet, um das Öl abfließen zu lassen. Da bei Nichtbetrieb, bzw. im Stillstand der Vorrichtung keine Druckdifferenz vorhanden ist, ist das Überdruckventil 25 geschlossen und verhindert so den Rückfluss des Kühlmittelfluids in den
Kompressor 20.
Die FIG 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Kompressorgehäuse 20 mit einen
Trennzylinder 60 und einem Verschlusselement 80. Das Verschlusselement 80 ist in FIG 7 perspektivisch dargestellt.
Das Verschlusselement 80 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Blattfeder 110 und ist derart in oder an dem Trennzylinder 60 angeordnet, dass es einen Einlass 40 öffnen oder schließen kann, um die
Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms durch einen Führungskanal 150 zu regulieren. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Positionierung, bzw. die Biegung der Blattfeder 110 so verändert werden, bis diese bei maximaler
Auslenkung an einem Anschlag 30 aufliegt. Mit anderen Worten kann die
Blattfeder 110 maximal so weit nach hinten gebogen werden, bis die Blattfeder 110 den Anschlag 30 erreicht, und der Einlass 40 vollständig geöffnet ist. Die Auslenkung der Blattfeder 110 als Funktion des Einlassdruckes ist von der
Federsteifigkeit vorgegeben. Bei nachlassendem Druck wird die Blattfeder 110 in die entgegengesetzte
Richtung bewegt. Eine Federkante 111 der Blattfeder 110 schließt mit einer Dichtkante 112 des Trennzylinders 60 ab und verschließt den Einlass 40, bzw. den Führungskanal 150 komplett, wenn der Druck einen durch die Federsteifigkeit vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Die Auslenkung der Blattfeder 110 hängt somit vom Druck ab, so dass eine Selbstregulierung der
Strömungsgeschwindigkeit gegeben ist. Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen der Separatorvorrichtung beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin offenbarter Merkmale.
Bezugszeichenliste
Separatorvorrichtung 1
Kompressorgehäuse 2, 20
Auslassbereich 3
Einlass 4, 40
Einlassbereich 5
Trennzylinder 6, 60
Trennrohr 7
Verschlusselement 8, 80
Sammelbeckenanschluss 9
Rohrabschnitt 10
Blattfeder 11, 110
Kühlkreisanschluss 12, 120
Abschnitt 13
Trennrohrabschnitt 14
Führungskanal 15, 150
Kompressor 20
Überdruckventil 25
Anschlag 30
Federkante 111
Dichtkante 112
Rückführung Kühlmittel R
Abscheidung Öl A
Tangentiale Richtung Z
Schnittebene II
Schnittebene HIB
Schnittebene IV

Claims

Ansprüche
Separatorvorrichtung zum Abscheiden eines Fluids, insbesondere eines Schmierstoffs aus einem Kühlmittelfluid, umfassend
einen Trennzylinder (6, 60) mit einem zumindest einen Einlass (4, 40) für das Kühlmittelfluid aufweisenden Einlassbereich (5) und einem davon in axialer Richtung beabstandeter Auslassbereich (3) für das abgeschiedene Fluid, und
ein koaxial im Trennzylinder (6, 60) angeordnetes Trennrohr (7), welches sich zumindest über den Einlassbereich (5) des Trennzylinders (6, 60) derart erstreckt, dass das Trennrohr (7) vom Trennzylinder (6, 60) im Einlassbereich (5) in radialer Richtung beabstandet ist, gekennzeichnet durch
ein im Einlassbereich (5) angeordnetes federbelastetes
Verschlusselement (8, 80), welches dazu ausgebildet ist, die
Strömungsgeschwindigkeit des durch den zumindest einen Einlass (4, 40) hindurchströmenden Volumenstroms des Kühlmittelfluids selbstätig zu regulieren.
Separatorvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels dem federbelasteten
Verschlusselement (8, 80) ein effektiver Durchlassquerschnitt des zumindest einen Einlasses (4, 40) in Abhängigkeit eines an dem zumindest einen Einlass (4, 40) vorherrschenden Einlassdruckes veränderbar ist.
Separatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das federbelastete Verschlusselement (8, 80) als gebogene Blattfeder (11, 110) ausgeführt ist.
Separatorvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (8, 80) einen
Krümmungsradius aufweist, der kleiner ist als die Hälfte des
Innendurchmessers des Trennzylinders (6, 60). Separatorvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der Blattfeder (11, 110) variabel ist.
Separatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Einlass (4, 40) einen Führungskanal (15, 150) aufweist, der sich zumindest abschnittsweise in eine von der radialen Richtung abweichenden Richtung erstreckt, so dass der Volumenstrom im Wesentlichen in tangentialer Richtung in den Trennzylinder (6, 60) einströmt.
Separatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere umfänglich um den
Trennzylinder (6, 60) angeordnete Einlasse (4, 40) vorgesehen sind.
Separatorvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasse (4, 40) in einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Reihe angeordnet sind.
Separatorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Einlasse (4, 40) innenseitig vom federbelasteten Verschlusselement (8, 80) verschließbar sind.
Kompressor mit einer Separatorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kompressor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorvorrichtung (1) als separate Einheit innerhalb eines Kompressorgehäuses (2, 20) anordenbar und mit diesem lösbar verbindbar ist.
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