DE102004014469A1

DE102004014469A1 - Steuerventilvorrichtung für einen verstellbaren Taumelscheibenkompressor

Info

Publication number: DE102004014469A1
Application number: DE102004014469A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Isesaki Ochiai
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2004-10-21
Also published as: JP4118181B2; US7273356B2; US20040191077A1; FR2853020B1; FR2853020A1; JP2004293515A

Abstract

Es wird eine Steuerventilvorrichtung für einen verstellbaren Taumelscheibenkompressor (4) zur Verwendung in einer Klimaanlage offenbart. Die Vorrichtung enthält einen Einführungsdurchlass (40) zum Verbinden einer Ausstoßkammer (38) mit einer Kurbelkammer (32) in dem Kompressor (4) und ein Steuerventil (42) zum Einstellen eines Drucks in der Kurbelkammer (32) in selbständiger Weise zum Steuern einer Ausstoßkapazität des Kompressors (4). Das Steuerventil (42) enthält eine Ventileinheit zum Öffnen/Schließen des Einführungsdurchlasses (40) und eine elektromagnetische Solenoidbaugruppe (48) zum Betreiben der Ventileinheit (50). Die Steuerventilvorrichtung enthält weiter einen Widerstandsänderungsmechanismus (108) zum Verändern eines Widerstands des Magnetkreises (M) in der Baugruppe (48) entsprechend einem Druckunterschied (DELTAP¶A¶) des Kältemittels zwischen zwei Punkten (P¶1¶, P¶2¶), die zwischen dem Kompressor (4) und einem Kondensator (6) des Systems festgelegt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerventilvorrichtung für einen verstellbaren Taumelscheibenkompressor (einen Taumelscheibenkompressor mit variabler Kapazität), und der Kompressor wird in einem Kühlkreis einer in einem Fahrzeug angeordneten Klimaanlage verwendet.

Ein Kühlkreis enthält einen Verdampfer und einen Kondensator, und ein verstellbarer Taumelscheibenkompressor ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet. Dieser Typ von Kompressoren ist z.B. in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-107854 veröffentlicht. Dieser bekannte Kompressor weist eine Kurbelkammer auf, und eine Taumelscheibe ist drehbar in der Kurbelkammer angebracht. Ein Neigungswinkel der Taumelscheibe bestimmt eine Ausstoßkapazität eines Kältemittels des Kompressors, d.h. die Hübe der Kolben in dem Kompressor.

Da der Neigungswinkel der Taumelscheibe in dieser Art von Kompressoren durch einen Druck in der Kurbelkammer eingestellt wird, enthält der Kompressor einen Einführungsdurchlass, der die Kurbelkammer mit einer Ausstoßkammer des Kompressors verbindet, einen Abgabedurchlass, der die Kurbelkammer mit einer Ansaugkammer des Kompressors verbindet und eine Drosselblende aufweist, und ein Kapazitätssteuerventil, das in dem Einführungsdurchlass angeordnet ist. Das Kapazitätssteuerventil steuert eine Flussrate eines Hochdruckkältemittels, das von der Ausstoßkammer in die Kurbelkammer eingeführt wird, d.h. den Druck in der Kurbelkammer.

Genauer dargestellt enthält das Kapazitätssteuerventil eine Ventileinheit und eine elektromagnetische Solenoidbaugruppe zum Betreiben der Ventileinheit. Die Ventileinheit enthält ein Ventilglied zum Öffnen/Schließen des Einführungsdurchlasses, und das Ventilglied empfängt eine elektromagnetische Kraft, die von der Solenoidbaugruppe in einer Schließrichtung des Ventilglieds erzeugt wird, während es eine Treibkraft auf der Grundlage eines Druckunterschieds in dem Kältemittel zwischen zwei Punkten, die zwischen dem Kompressor und dem Kondensator festgelegt sind, in einer Öffnungsrichtung des Ventilglieds aufnimmt.

Da der Druckunterschied des Kältemittels ein Index ist, der die Ausstoßkapazität des Kompressors anzeigt, wird die elektromagnetische Kraft entsprechend einer Sollausstoßkapazität an das Ventilglied angelegt. Daher öffnet/schließt das Ventilglied den Einführungsdurchlass so, dass die elektromagnetische Kraft und die Treibkraft (Ausstoßkapazität) im Gleichgewicht sind. Dementsprechend wird der Druck in der Kurbelkammer in einer selbständigen Weise eingestellt. Es sei angemerkt, dass die Sollausstoßkapazität des Kompressors festgelegt wird auf der Grundlage von externen Informationen eines Temperatureinstellschalters oder dergleichen der Klimaanlage.

Im allgemeinen enthält die elektromagnetische Solenoidbaugruppe ein Solenoid (eine Magnetspule), bewegliche und feste Kerne, die Teile eines magnetischen Kreises bilden und eine Betätigungsstange, die den beweglichen Kern mit dem Ventilglied der Ventileinheit verbindet, und die Betätigungsstange erstreckt sich gleitfähig durch den festen Kern.

Der magnetische Kreis muss nur eine axiale elektromagnetische Kraft entlang einer axialen Richtung des beweglichen Kerns bzw. der Betätigungsstange erzeugen. Der Magnetkreis erzeugt jedoch nicht nur die axiale elektromagnetische Kraft, sondern bedingt durch einen Verarbeitungs- oder Zusammenbaufehler jedes Bestandteils der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe auch eine radiale elektromagnetische Kraft entlang einer radialen Richtung des beweglichen Kerns, und die Erzeugung der radialen elektromagnetischen Kraft kann nicht verhindert werden.

Je größer eine Kühllast der Klimaanlage ist, d.h. die Sollausstoßkapazität des Kompressors (die Treibkraft des Ventilglieds), desto mehr axiale elektromagnetische Kraft erzeugt die elektromagnetische Solenoidbaugruppe. Mit dem Ansteigen der axialen elektromagnetischen Kraft steigt außerdem eine unerwünschte radiale elektromagnetische Kraft ebenfalls an.

Da die große radiale elektromagnetische Kraft den beweglichen Kern in einer radialen Richtung vorspannt, ist ein Gleitwiderstand der Betätigungsstange im Hinblick auf den festen Kern in einer Umgebungsrichtung der Betätigungsstange nicht gleichförmig. Daher geschieht ein Abrieb der äußeren Randoberfläche der Betätigungsstange in der Umfangsrichtung nur teilweise, und dieser ungleichförmige Abrieb behindert ein stabiles Gleiten der Betätigungsstange und bewirkt einen unstabilen Öffnungs/Schließbetrieb des Ventilglieds in der Ventileinheit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuerventilvorrichtung für einen verstellbaren Taumelscheibenkompressor bereitzustellen, die einen nicht gleichförmigen Abrieb einer Betätigungsstange in ihrem Kapazitätssteuerventil vermeidet und in der Lage ist, einen stabilen Öffnungs/Schließbetrieb des Steuerventils zu erhalten.

Die Aufgabe wird erfüllt durch eine Steuerventilvorrichtung gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Steuerventilvorrichtung enthält: einen Kältemittelpfad, der im Hinblick auf eine Kurbelkammer des Kompressors das Einführen und Ablassen eines Kältemittels ermöglicht und einen Einführungsdurchlass enthält, der eine Ausstoßkammer des Kompressors mit der Kurbelkammer verbindet, sowie einen Abgabedurchlass, der die Kurbelkammer mit einer Ansaugkammer des Kompressors verbindet, und ein Steuerventil, das in den Einführungsdurchlass oder in den Abgabedurchlass eingefügt ist, um den Druck in der Kurbelkammer zu steuern. Das Steuerventil enthält eine Ventileinheit mit einem Ventilglied zum Öffnen/Schließen des Durchlasses und einer Ventilfeder zum Drängen des Ventilglieds in eine Richtung zum Öffnen oder Schließen des Durchlasses, sowie eine elektromagnetische Solenoidbaugruppe, die die Ventileinheit betreibt und einen Magnetkreis enthält zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft in einer der Treibkraft der Ventilfeder entgegengesetzten Richtung bei Anlegen eines Stroms, mit einem festen Kern und einer Bedienstange, die sich gleitfähig durch den festen Kern erstreckt, zum Übertragen der elektromagnetischen Kraft zu dem Ventilglied. Die Steuerventilvorrichtung enthält weiter einen Widerstandsänderungsmechanismus zum Verändern eines magnetischen Widerstands des Magnetkreises entsprechend einem Druckunterschied des Kältemittels zwischen zwei in der Klimaanlage festgelegten Punkten und eine Steuereinrichtung zum Zuführen eines vorbestimmten Stroms zu der e lektromagnetischen Solenoidbaugruppe auf der Grundlage einer für den Kompressor erforderlichen Sollausstoßkapazität.

Bei dieser Steuerventilvorrichtung wird die elektromagnetische Kraft des Magnetkreises, d.h. die axiale elektromagnetische Kraft, die über die Betätigungsstange an das Ventilglied angelegt wird, auf der Grundlage des Magnetwiderstandes des Magnetkreises verändert, der durch den Druckunterschied und den der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe zugeführten Strom bestimmt wird. Darüber hinaus öffnet und schließt die Ventileinheit wiederholt den Einführungsdurchlass bzw. den Abgabedurchlass auf der Grundlage der auf diese Weise veränderten elektromagnetischen Kraft und der Treibkraft der Ventilfeder. Demzufolge wird der Druck in der Kurbelkammer in selbständiger Weise eingestellt, und eine tatsächliche Ausstoßkapazität des Kompressors wird so gesteuert, dass sie mit der Sollausstoßkapazität übereinstimmt.

Insbesondere wird der der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe zuzuführende Strom so festgelegt, dass die axiale elektromagnetische Kraft des Magnetkreises im wesentlichen gleich groß wird wie die Treibkraft der Ventilfeder, wenn der Druckunterschied mit einem Solldruckunterschied übereinstimmt, der der Sollausstoßkapazität entspricht.

Da das Ventilglied der Ventileinheit durch einen leichten Unterschied zwischen der axialen elektromagnetischen Kraft und der Treibkraft betrieben wird, kann in diesem Fall durch Verringern der Treibkraft der Ventilfeder die axiale elektromagnetische Kraft, die von dem Magnetkreis erzeugt werden muss, verringert werden. Auch wenn der Magnetkreis die oben erwähnte radiale elektromagnetische Kraft erzeugt, ist die radiale elektromagnetische Kraft daher gering, und ein sanftes Gleiten der Betätigungsstange im Hinblick auf den festen Kern ist sichergestellt. Demzufolge wird der Abrieb der Betätigungsstange ver ringert und die Ventileinheit arbeitet stabil über eine lange Zeit.

Insbesondere enthält der Widerstandsänderungsmechanismus ein bewegliches Glied, das einen Teil des Magnetkreises bildet und dem festen Kern benachbart ist mit einem Magnetspalt dazwischen und das den Druckunterschied in einer Richtung zum Vergrößern des Magnetspalts aufnimmt, und eine Rückstellfeder zum Drängen des beweglichen Glieds in einer Richtung zum Verringern des Magnetspalts.

Wenn der Druckunterschied in diesem Fall den Magnetspalt vergrößert, steigt der Magnetwiderstand des Magnetkreises an, und die axiale elektromagnetische Kraft des Magnetkreises wird verringert. Wenn der Druckunterschied dagegen den Magnetspalt verkleinert, steigt die axiale elektromagnetische Kraft des Magnetkreises an.

Insbesondere erhält der Widerstandsänderungsmechanismus weiter einen Durchlass, der einen Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite dem Magnetspalt zuführt, und eine Kammer, in der die Rückstellfeder angeordnet ist und der ein Kältemitteldruck auf einer Niedrigdruckseite zugeführt wird. Der Magnetspalt und die Kammer sind unabhängig von dem Inneren der Ventileinheit angeordnet.

Das bewegliche Glied ist vorzugsweise gleitfähig auf der Betätigungsstange angebracht. Da der Widerstandsänderungsmechanismus zwischen der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe und der Ventileinheit bereitgestellt ist, kann das Steuerventil miniaturisiert werden.

Der Widerstandsänderungsmechanismus kann weiter einen Abstandshalter enthalten, der auf der Bedienstange zwischen dem festen Kern und dem beweglichen Glied angeordnet ist, und dieser Ab standshalter besteht aus einem nichtmagnetischen Material und bestimmt einen Minimalwert des Magnetspalts.

Da der Abstandshalter ständig den Magnetspalt zwischen dem festen Kern und dem beweglichen Glied sicherstellt, kann das bewegliche Glied den Druckunterschied sicher aufnehmen.

Die Steuereinrichtung kann die Sollausstoßkapazität des Kompressors auf der Grundlage von externen Informationen bestimmen. Vorzugsweise ist das Steuerventil in dem Einführungsdurchlass eingesetzt, und die Ventilfeder drängt das Ventilglied in die Öffnungsrichtung.

In diesem Fall wird der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe während eines Betriebsstops der Klimaanlage kein Strom zugeführt, und die Ventileinheit verbleibt in einer offenen Stellung. Daher ist die Ausstoßkammer mit der Kurbelkammer verbunden, und der Druck in der Kurbelkammer steigt. Dieser Druckanstieg verringert den Neigungswinkel der Taumelscheibe, d.h. die Ausstoßkapazität des Kompressors. Demzufolge wird zum Treiben des Kompressors erforderliche Energie gespart.

Der Druckunterschied kann aus den Kältemitteldrücken von zwei Punkten gewonnen werden, die zwischen dem Kompressor und einem Kondensator der Klimaanlage festgelegt sind, oder die in dem Kompressor festgelegt sind.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kühlkreises mit einem verstellbaren Taumelscheibenkompressor, der mit einer Steuerventilvorrichtung nach einer Ausführungsform versehen ist und
2 eine Längsschnittansicht, die besonders ein Kapazitätssteuerventil aus 1 zeigt.
Wie in 1 dargestellt enthält eine Klimaanlage eines Fahrzeugs einen Kühlkreis, und der Kühlkreis enthält einen Kreislauf 2 eines Kältemittels. In diesem Kreislauf sind ein verstellbarer Taumelscheibenkompressor 4, ein Kondensator 6, ein Expansionsventil 8 und ein Verdampfer 10 in dieser Reihenfolge angeordnet.
Der Kompressor 4 komprimiert das Kältemittel und stößt das komprimierte Kältemittel zu dem Kondensator hin aus. Der Kondensator 6 kondensiert das zugeführte Hochdruckkältemittel, und das verflüssigte Kältemittel wird über das Expansionsventil 8 dem Verdampfer 10 zugeführt. Das verflüssigte Kältemittel wird in dem Verdampfer 10 verdampft, und die Luft in der Umgebung des Verdampfers 10 wird gekühlt. Anschließend wird das verdampfte Kältemittel in den Kompressor 4 eingesaugt und wieder komprimiert, um in dem Kreislauf 2 umzulaufen.
Um die gekühlte Luft in einen Passagierraum des Fahrzeugs einzuführen, sind ein Luftgebläse 12 und eine Klappe in der Nähe des Verdampfers 10 angeordnet. Die Klappe 14 hat eine Einführstellung, in der Außenluft in den Passagierraum eingeführt wird, und eine Umwälzstellung, in der die Luft in dem Passagierraum umgewälzt wird, und sie wird zwischen der Einführstellung und der Umlaufstellung geschaltet.
Weiterhin enthält die Klimaanlage ein Bedienfeld 16, und das Bedienfeld 16 ist in einer (nicht dargestellten) Instrumententafel in dem Passagierraum angeordnet. Das Bedienfeld 16 enthält einen Hauptschalter 18, einen Temperatureinstellschalter 20 und dergleichen für die Klimaanlage, und diese Schalter 18, 20 sind elektrisch mit einem Controller 22 verbunden.
Der Controller 22 ist auch elektrisch mit einem Temperatursensor 24, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 26, einem Rotationssensor 28 und einem Drosselöffnungssensor 30 verbunden. Der Temperatursensor 24 ist in der Nähe des Verdampfers 10 angeordnet, um eine Lufttemperatur in dem Passagierraum zu erfassen. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 26, der Rotationssensor 28 und der Drosselöffnungssensor 30 erfassen jeweils die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs, die Drehzahl eines Motors des Fahrzeugs und die Öffnung einer Drossel des Motors als laufende Zustände des Fahrzeugs.
Der Controller 22 empfängt Signale von den Schalter 18, 20 und den Sensoren 24 bis 30, um eine Sollausstoßkapazität des Kompressors 4 festzulegen, d.h. die Schalter 18, 20 und die Sensoren 24 bis 30 führen dem Controller 22 die externe Information zum Festlegen der Sollausstoßkapazität des Kompressors 4 zu.
Da der verstellbare Taumelscheibenkompressor 4 bereits aus der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-107854 bekannt ist, wird der Kompressor 4 im folgenden nur kurz beschrieben.
Der Kompressor 4 enthält eine Kurbelkammer 32, und eine (nicht dargestellte) Taumelscheibe ist drehbar in der Kurbelkammer 32 angebracht. Die Taumelscheibe ist mit einer (nicht dargestellten) Hauptwelle des Kompressors 4 in einem veränderlichen Neigungswinkel verbunden und rotiert gemeinsam mit der Hauptwelle. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe wird durch den Druck in der Kurbelkammer 32 eingestellt.
Die Drehung der Taumelscheibe wird in eine Hin- und Herbewegung einer Mehrzahl von (nicht dargestellten) Kolben umgewandelt, und ein Fortsatz jedes Kolbens greift für diese Umwandlung über ein Paar von (nicht dargestellten) Schuhen an einer äußeren Randkante der Taumelscheibe an.
Ein Kopf des Kolbens ist in einer (nicht dargestellten) Zylinderbohrung eingesetzt, und in der Zylinderbohrung ist eine Kompressionskammer 34 abgegrenzt. Das Volumen der Kompressionskammer 34 nimmt mit der Hin- und Herbewegung des Kolbens zu und ab. Wenn das Volumen der Kompressionskammer 34 erhöht wird, wird das Kältemittel aus einer Ansaugkammer 36 in die Kompressionskammer 34 gesaugt. Die Ansaugkammer 36 ist mit dem Verdampfer 10 über einen stromabwärts gelegenen Abschnitt 2_D des Kreislaufs 2 verbunden.
Wenn das Volumen der Kompressionskammer 34 nach dem Ansaugen des Kältemittels verringert wird, wird das angesaugte Kältemittel in der Kompressionskammer 34 komprimiert, und das Hochdruckkältemittel wird aus der Kompressionskammer 34 in einer Ausstoßkammer 38 ausgestoßen. Die Ausstoßkammer 38 ist mit dem Kondensator 6 über einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt 2_U des Kreislaufs 2 verbunden.
Um den Druck in der Kurbelkammer 32 einzustellen, ist die Ausstoßkammer 38 über einen Einführungsdurchlass 40 des Kältemittels mit der Kurbelkammer 32 verbunden, und ein Kapazitätssteuerventil 42 ist in den Einführungsdurchlass 40 eingesetzt. Andererseits ist die Kurbelkammer über einen Abgabedurchlass 44 des Kältemittels mit der Ansaugkammer 36 verbunden, und eine Drosselblende 46 ist in dem Abgabedurchlass 44 angeordnet.
Wie aus 1 ersichtlich ist das Steuerventil 42 aus einem Elektromagnetventil aufgebaut, und Details sind in 2 dargestellt. Grob dargestellt enthält das Steuerventil 42 eine elektromagnetische Solenoidbaugruppe (Magnetspulbaugruppe) 48 und eine Ventileinheit 50.
Die elektromagnetische Solenoidbaugruppe 48 ist mit einem zylindrischen Solenoidgehäuse 52 versehen, und das Solenoidgehäuse 52 besteht aus einem magnetischen Material. Hülsen 54, 56 stehen jeweils von entgegengesetzten Endflächen des Solenoidgehäuses 52 vor, und diese Hülsen 54, 56 sind integral mit dem Solenoidgehäuse 52 ausgebildet. Die Hülse 54 ist durch eine Endplatte 58 abgeschlossen. Die Hülse 56 dagegen öffnet sich zur Ventileinheit 50 hin.
Ein beweglicher Kern 60 und ein fester Kern 62 sind in dem Solenoidgehäuse 52 bereitgestellt, und diese Kerne 60, 62 haben zylindrische Formen. Die Kerne 60, 62 sind auf einer Achse des Solenoidgehäuses 52 angeordnet, und sie sind einander benachbart.
Der bewegliche Kern 60 ist auf der Seite der Hülse 54 angeordnet. Eines seiner Enden befindet sich in der Nähe der Endplatte 58, und das andere Ende in der Nähe des festen Kerns 62. Das andere Ende des beweglichen Kerns 60 ist als konischer Vorsprung 64 ausgebildet, der zu dem festen Kern 62 hin verjüngt ist. Der feste Kern 62 dagegen weist in einer Endfläche eine konische Vertiefung 66 auf, die in der Lage ist, den konischen Vorsprung 64 des beweglichen Kerns aufzunehmen.
Weiterhin ist das andere Ende des festen Kerns 62 in einem Basisabschnitt der Hülse 56 angeordnet und über einen nichtmagnetischen Ring 68 mit dem Solenoidgehäuse 52 verbunden. Daher kann das andere Ende des festen Kerns 62 nie magnetisch mit dem Solenoidgehäuse 52 verbunden sein.
Ein Solenoid (eine Magnetspule) 70 ist in dem Solenoidgehäuse 52 bereitgestellt, und diese Magnetspule 70 umgibt das Äußere des beweglichen Kerns 60 und des festen Kerns 62. Wie aus 1 ersichtlich ist das Solenoid 70 über eine Treiberschaltung 72 elektrisch mit dem Controller 22 verbunden.
Die Ventileinheit 50 ist mit einem Ventilgehäuse 74 versehen, und das Ventilgehäuse 74 besteht aus einem nichtmagnetischen Material. Das Ventilgehäuse 74 hat eine zylindrische Form, ein Ende ist geöffnet und das andere Ende ist geschlossen.
Das eine Ende des Ventilgehäuses 74 nimmt die Hülse 56 des Solenoidgehäuses 52 auf, und dementsprechend sind die Gehäuse 74, 52 miteinander verbunden.
Das Ventilgehäuse 74 weist im Inneren zwei Trennwände 76, 78 auf, und diese Trennwände 76, 78 grenzen in dem Ventilgehäuse 74 drei Kammern 80, 82, 84 ab. Diese Kammern 80, 82, 84 sind von der Seite des Solenoidgehäuses 52 aus aufeinander folgend angeordnet.
Eine Auslassöffnung 86, die mit der Kammer 82 in Verbindung steht, ist in einer Außenwand des Ventilgehäuses 74 ausgebildet, und die Auslassöffnung 86 ist über einen stromabwärts gelegenen Abschnitt des Einführungsdurchlasses 40 mit der Kurbelkammer 32 verbunden. Andererseits ist in der geschlossenen Endwand des Ventilgehäuses 74 eine Einlassöffnung 88 ausgebildet, die mit der Kammer 84 in Verbindung steht, und die Einlassöffnung 88 ist über einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Einführungsdurchlasses 40 mit der Ausstoßkammer 38 verbunden.
Andererseits ist eine Betätigungsstange 90 in dem Solenoidgehäuse 52 und dem Ventilgehäuse 74 bereitgestellt und erstreckt sich in der Achse dieser Gehäuse. Ein Ende der Betätigungsstange 90 ist mit dem konischen Vorsprung 64 des beweglichen Kerns 60 verbunden. Die Betätigungsstange 90 erstreckt sich von dem konischen Vorsprung 64 aus gleitfähig durch den festen Kern 62 und in das Ventilgehäuse 74.
Genauer gesagt erstreckt sich die Betätigungsstange 90 durch die Trennwände 76, 78 in dem Ventilgehäuse 74, und ihr anderes Ende ist in der Kammer 84 angeordnet. Ein scheibenförmiger Federsitz 92 ist an dem anderen Ende der Betätigungsstange 90 angebracht, und eine Druckschraubenfeder (Ventilfeder) 94 ist zwischen dem Federsitz 92 und einer inneren Endfläche der Kammer 84 (der geschlossenen Endwand des Gehäuses 74) angeordnet. Die Ventilfeder 94 drängt die Betätigungsstange 90 zur Seite des Solenoidgehäuses 52 hin.
Wie aus 2 ersichtlich weist die Trennwand 76 ein Durchgangsloch 96 zum gleitfähigen Durchführen der Betätigungsstange 90 auf, und die Trennwand 78 weist ein Ventilloch 98 zum Verbinden der Kammer 82 mit der Kammer 84 auf. Das Ventilloch 98 hat einen kleineren Durchmesser als das Durchgangsloch 96 und wird von der Betätigungsstange 90 geöffnet und geschlossen.
Das heißt, dass die in der Kammer 82 angeordnete Betätigungsstange 90 als ein Ventilglied 100 ausgebildet ist. Andererseits ist eine Öffnungskante des Ventillochs 98 auf der Seite der Kammer 82 als Ventilsitz 102 ausgebildet, der mit dem Ventilglied 100 zusammenwirkt. Weiterhin ist ein Abschnitt der Betätigungsstange 90 zwischen dem Ventilglied 100 und dem Federsitz 92 als Ventilstangenabschnitt 104 mit einem kleineren Durchmesser als das Ventilloch 98 ausgebildet, und der Ventilstangenabschnitt 104 führt durch das Ventilloch 98 und verbindet das Ventilglied 100 mit dem Federsitz 92.
In einem in 1 dargestellten Zustand ist die Betätigungsstange 90, d.h. das Ventilglied 100 einer Treibkraft F_S der Ventilfeder 94 ausgesetzt und wird von dem Ventilsitz 102 abgehoben. Daher ist das Ventilloch 98 geöffnet, und die Ausstoßkammer 38 ist über die Ventileinheit 50 mit der Kurbelkammer 32 verbunden.
Wenn der Magnetspule 70 der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe 48 ein Treibersignal zugeführt wird, wird in der Solenoidbaugruppe 48 ein Magnetkreis gebildet. Der Magnetkreis erzeugt eine axiale elektromagnetische Kraft F_EA in der axialen Richtung des Solenoidgehäuses 52, und die axiale elektromagnetische Kraft F_EA drückt die Betätigungsstange 90 über den beweglichen Kern 60 zu der Ventileinheit 50 hin. Daher stößt das Ventilglied 100 entgegen der Treibkraft F_S der Ventilfeder 94 gegen den Ventilsitz 102, um das Ventilloch 98 zu schließen. Demzufolge wird die Ausstoßkammer 38 durch die Ventileinheit 50 von der Kurbelkammer 32 getrennt.
Die elektromagnetische Solenoidbaugruppe 48 enthält weiter einen Magnetwiderstandsänderungsmechanismus 106 zum Verändern des magnetischen Widerstands des Magnetkreises, und der Veränderungsmechanismus 106 wird im folgenden detailliert beschrieben.
Der Veränderungsmechanismus 106 enthält einen beweglichen Pfropfen 108, der gleitfähig auf der Betätigungsstange 90 angebracht ist. Der bewegliche Pfropfen 108 hat eine zylindrische Form und ist gleitfähig in die Hülse 56 des Solenoidgehäuses 52 eingepasst. Weiterhin besteht der bewegliche Pfropfen 108 aus magnetischem Material und bildet einen Teil eines Magnetpfads für den Magnetkreis.
Ein Ende des beweglichen Pfropfens 108 auf der Seite zu dem festen Kern 62 hin ist als vorspringende Konusfläche 110 ausgebildet, die zu dem festen Kern 62 hin verjüngt ist. Andererseits ist die andere Endfläche des festen Kerns 62 als vertiefte Konusfläche 112 ausgebildet, die auf die vorstehende Konusfläche 110 abgestimmt ist.
Ein ringförmiger Abstandshalter 114 ist zwischen den Taperflächen 110, 112 angeordnet, und der Abstandshalter 114 sichert eine Spaltkammer 116 zwischen den Konusflächen 110, 112. Der Abstandshalter 114 besteht aus nichtmagnetischem Material, und dementsprechend bildet die Spaltkammer 116 den Magnetspalt in dem Magnetkreis. Es sei angemerkt, dass sich die Betätigungsstange 90 gleitfähig durch den Abstandshalter 114 erstreckt.
Weiterhin ist eine Druckschraubenfeder (eine Pfropfenfeder) 118 als Rückstellfeder in der Kammer 80 bereitgestellt. Die Pfropfenfeder 118 ist zwischen dem beweglichen Pfropfen 108 und der Trennwand 76 angeordnet und drängt den beweglichen Pfropfen 108 zu dem festen Kern 62 hin.
Eine Verbindungsöffnung 120, die mit der Spaltkammer 116 in Verbindung steht, ist in dem überlappenden Bereich zwischen einem Ende der Hülse 56 und dem Ventilgehäuse 74 ausgebildet, und diese Verbindungsöffnung ist mit einer ersten Stelle P₁ eines stromaufwärts gelegenen Abschnitts 2_U in dem Kreislauf 2 verbunden. Weiterhin ist eine Verbindungsöffnung 122, die mit der Kammer 80 in Verbindung steht, in der Außenwand des Ventilgehäuses 74 ausgebildet, und diese Verbindungsöffnung 122 ist mit einer zweiten Stelle P₂ des stromaufwärts gelegenen Abschnitts 2_U verbunden.
Genauer gesagt ist, wie in 1 dargestellt, die Spaltkammer 116 über einen Durchlass 124 mit der ersten Stelle P₁ verbunden, und die Kammer 80 ist über einen Durchlass 126 mit der zweiten Stelle P₂ verbunden. Die erste und zweite Stelle P₁, P₂ sind in dem Kreislauf 2 zwischen dem Kompressor 4 und dem Kondensator 6 angeordnet, und die zweite Stelle P₂ ist stromabwärts von der ersten Stelle P₁ gelegen. Daher wird ein an der ersten Stelle P₁ stromaufwärts herrschender Druck P_H des Hochdruckkältemittels der Spaltkammer 116 zugeführt, und ein an der zweiten Stelle P₂ stromabwärts herrschender Druck P_L des Hochdruckkältemittels wird der Kammer 80 zugeführt.
Der Betrieb des Kapazitätssteuerventils 42 ist wie folgt: Der Kompressor 4 wird von dem Motor des Fahrzeugs angetrieben, aber es sei angenommen, dass die Klimaanlage nicht betrieben wird.
Da die elektromagnetische Solenoidbaugruppe 48 vor dem Start der Klimaanlage nicht betrieben wird, öffnet das Ventilglied 100 der Ventileinheit 50 das Ventilloch 98 durch die Treibkraft F_S der Ventilfeder 94. Da die Ausstoßkammer 38 des Kompressors 4 somit über die Ventileinheit 50 mit der Kurbelkammer 32 verbunden ist, wird das Hochdruckkältemittel der Kurbelkammer 32 von der Ausstoßkammer 38 aus zugeführt, und der Druck in der Kurbelkammer 32 steigt.
Der Druckanstieg in der Kurbelkammer 32 bewirkt eine Verringerung des Neigungswinkels der Taumelscheibe, und dementsprechend wird die Ausstoßkapazität des Kompressors 4 verringert. Das bedeutet, dass der Kompressor 4 vor dem Start der Klimaanlage mit einer minimalen Ausstoßkapazität betrieben wird.
Währenddessen werden wie oben beschrieben der stromaufwärts herrschende Druck P_H und der stromabwärts herrschende Druck P_L des Kältemittels jeweils der Spaltkammer 116 der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe 48 bzw. der Kammer 80 der Ventileinheit 50 zugeführt. Wenn die Ausstoßkapazität des Kompressors 4 einen minimalen Wert aufweist, ist ein tatsächlicher Druckunterschied ΔP_A (=P_H–P_L) zwischen dem stromaufwärts herrschenden Druck P_H und dem stromabwärts herrschenden Druck P_L im wesentlichen Null. Daher wird der bewegliche Kern 108 durch die Treibkraft der Pfropfenfeder 118 auf den festen Kern 62 zubewegt, und das Volumen der Spaltkammer 116 wird auf einem Minimum gehalten.
Wenn die Klimaanlage dann gestartet wird, erhält der Controller 22 eine Sollausstoßkapazität des Kompressors 4, d.h. einen Solldruckunterschied ΔP₀, der zwischen dem stromaufwärts herrschenden Druck P_H und dem stromabwärts herrschenden Druck P_L erzeugt werden soll. Dann bestimmt der Controller 22 auf der Grundlage des Solldruckunterschieds ΔP₀ einen Strom I, der der Magnetspule 70 der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe 48 zugeführt werden soll, und führt den Strom I der Magnetspule 70 zu.
Daher wird in der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe 48, wie in 2 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt, ein Magnetkreis M gebildet, und der Magnetpfad des Magnetkreises M verläuft durch den beweglichen Pfropfen 108 und die Spaltkammer 116. Dieser Magnetkreis erzeugt die axiale elektromagnetische Kraft F_EA und die axiale elektromagnetische Kraft F_EA bewegt den beweglichen Kern 60 und die Betätigungsstange 90 auf die Ventileinheit 50 zu. Daher stößt das Ventilglied 100 der Ventileinheit 50 entgegen der Treibkraft F_S der Ventilfeder 94 gegen den Ventilsitz 102 und schließt das Ventilloch 98. Dabei wird die Ausstoßkammer 38 von der Kurbelkammer 32 getrennt, und die Zufuhr des Hochdruckkältemittels von der Ausstoßkammer 38 in die Kurbelkammer 32 wird beendet.
Mittlerweile steht die Kurbelkammer 32 wie oben beschrieben über den Abgabedurchlass 44, der die Drosselblende 46 enthält, mit der Ansaugkammer 36 in Verbindung. Wenn die Zufuhr des Hochdruckkältemittels in die Kurbelkammer 32 beendet wird, sinkt daher der Druck in der Kurbelkammer 32 allmählich ab. Der Druckabfall in der Kurbelkammer 32 erhöht den Neigungswinkel der Taumelscheibe, d.h. die Ausstoßkapazität des Kompressors 4.
Der Anstieg der Ausstoßkapazität des Kompressors 4 bewirkt den Anstieg des tatsächlichen Druckunterschieds ΔP_A, der Anstieg des tatsächlichen Druckunterschieds ΔP_A bewegt den beweglichen Pfropfen 108 gegen die Treibkraft der Pfropfenfeder 118, und das Volumen der Spaltkammer 116, d.h. der zwischen dem festen Kern 62 und dem beweglichen Pfropfen 108 gebildete Magnetspalt, wird vergrößert.
Durch das Vergrößern des Magnetspalts wird die axiale elektromagnetische Kraft F_EA verringert, auch wenn der der Magnetspule 70 zugeführte Strom I konstant gehalten wird. Wenn die axiale elektromagnetische Kraft F_EA dann kleiner wird als die Treibkraft F_S der Ventilfeder 94, öffnet das Ventilglied 100 das Ventilloch 98, und die Zufuhr des Hochdruckkältemittels von der Ausstoßkammer 38 zu der Kurbelkammer 32 wird wieder aufgenommen.
Wenn die Zufuhr des Hochdruckkältemittels wieder aufgenommen wird, steigt der Druck in der Kurbelkammer 32, und die Ausstoßkapazität des Kompressors 4 nimmt ab. Da der tatsächliche Druckunterschied ΔP_A, d.h. der Magnetspalt, kleiner wird, steigt die axiale elektromagnetische Kraft F_EA wieder an, und das Ventilglied 100 schließt das Ventilloch 98 wieder.
Das bedeutet, dass der Betrieb des Öffnens und Schließens des Ventilglieds 100 wiederholt wird, um den Druck in der Kurbelkammer 32 in selbständiger Weise einzustellen, so dass der tatsächliche Druckunterschied ΔP_A (die Ausstoßkapazität des Kompressors 4) dem Sollausstoßdruck ΔP₀ (der Sollausstoßkapazität) angepasst wird.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, wird der dem Solenoid 70 zugeführte Strom I in so einer Weise festgelegt, dass die verringerte axiale elektromagnetische Kraft F_EA im Hinblick auf die Größe der durch den Magnetspalt verringerten axialen elektromagnetischen Kraft F_EA, wenn der tatsächliche Druckunterschied ΔP_A mit dem Sollausstoßdruck ΔP₀ übereinstimmt, im Wesentlichen gleich groß ist wie die Treibkraft F_S der Ventilfeder 94.
Im Hinblick auf die druckaufnehmenden Oberflächen der Betätigungsstange 90 zum Aufnehmen des Drucks in der Kammer 84 in entgegengesetzten Richtungen sei angemerkt, dass die Flächen der druckaufnehmenden Oberflächen voneinander abweichen. Daher wird, bedingt durch einen Flächenunterschied zwischen den druckaufnehmenden Flächen eine Kraft auf das Ventilglied 100 in der Richtung zum Öffnen des Ventillochs 98 ausgeübt, aber diese Kraft ist hinreichend kleiner als die Treibkraft F_S, und die Festlegung des Stroms I wird nicht beeinflusst.
Der tatsächliche Druckunterschied ΔP_A liegt nicht an dem Ventilglied 100 an, und der Betrieb des Öffnens und Schließens des Ventilglieds 100, d.h. das Gleiten der Betätigungsstange 90 im Hinblick auf den festen Kern 62 wird auf eine Zeit begrenzt, in der die axiale elektromagnetische Kraft F_EA um die Treibkraft F_S herum schwankt. Daher kann die Treibkraft F_S der Ventilfeder 94, d.h. die axiale elektromagnetische Kraft F_EA, die für den Magnetkreis M erforderlich ist, so klein wie möglich eingestellt werden.
Da somit die axiale elektromagnetische Kraft F_EA klein ist, ist auch dann, wenn von dem Magnetkreis M eine radiale elektromagnetische Kraft F_EA in der radialen Richtung des beweglichen Kerns 60 erzeugt wird, die radiale elektromagnetische Kraft F_ER ebenfalls sehr klein. Demzufolge kann die Betätigungsstange 90 im Hinblick auf den festen Kern 62 sanft gleiten, der Abrieb der äußeren Randfläche der Betätigungsstange 90 ist nicht ungleichförmig, und der stabile Betrieb des Öffnens und Schließens des Ventilglieds 100 ist sichergestellt. Es sei angemerkt, dass die Betätigungsstange 90, wenn der bewegliche Kern 60 die radiale elektromagnetische Kraft F_ER empfängt, in jedem der in 2 gezeigten Punkte α und β gegen den festen Kern 62 gedrückt wird.
Da die Treibkraft F_s der Ventilfeder 94 in eine Richtung zum Öffnen des Ventilglieds 100 wirkt, wird die Ventileinheit 50 nach dem Beenden des Betriebs der Klimaanlage in der offenen Stellung gehalten. In diesem Fall wird die Ausstoßkammer 38 in einem mit der Kurbelkammer 32 verbundenen Zustand gehalten, der Druck in der Kurbelkammer 32 steigt, und die Ausstoßkapazität des Kompressors 4 wird auf einem Minimalwert gehalten. Da die zum Treiben des Kompressors 4 erforderliche externe Energie während des Betriebsstops der Klimaanlage verringert ist, wird daher die Abgabe des Motors nicht verschwendet, und Treibstoffeffizienz des Motors kann sichergestellt sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann verschiedentlich abgewandelt werden.
So kann z.B. der bewegliche Pfropfen 108 des Kapazitätssteuerventils 42 auch anstelle des tatsächlichen Druckunterschieds ΔP_A den Druckunterschied aufnehmen, der zwischen zwei Stellen in dem Kompressor 4 erzeugt wird. Als Druckunterschied können in diesem Fall der Druckunterschied (= P_D–P_s) zwischen einem Ausstoßdruck P_D der Ausstoßkammer 38 und einem Ansaugdruck P_s der Ansaugkammer 36, der Druckunterschied (= P_c–P_s) zwischen einem internen Druck P_c der Kurbelkammer 33 und dem Ansaugdruck P_s, oder der Druckunterschied (= P_SH–P_SL) zwischen zwei Punkten in der Ansaugkammer 36 verwendet werden.
Außerdem kann die Ventileinheit 50 des Kapazitätssteuerventils 42 als Ventilglied einen Ventilkolben aufweisen, der zwischen einer Einführungsstellung, in der das Kältemittel von der Ausstoßkammer 38 in die Kurbelkammer 32 eingeführt wird, und einer Abgabestellung, in der das Kältemittel aus der Kurbelkammer 32 in die Ansaugkammer 36 abgelassen wird, geschaltet wird. In diesem Fall kann der Abgabedurchlass 44 mit der Drosselblende 46 weggelassen werden.

Claims

Steuerventilvorrichtung für einen verstellbaren Taumelscheibenkompressor (4) zur Verwendung in einer Klimaanlage, bei der der Kompressor (4) eine Ansaugkammer (36) für ein Kältemittel, eine Ausstoßkammer (38) für das Kältemittel und eine Kurbelkammer (32), in der eine Taumelscheibe angeordnet ist, enthält, wobei ein Neigungswinkel der Taumelscheibe eine Ausstoßkapazität des Kompressors (4) bestimmt und durch einen Druck in der Kurbelkammer (32) eingestellt wird; wobei die Steuerventilvorrichtung enthält: einen Kältemittelpfad (40, 44), der im Hinblick auf die Kurbelkammer (32) das Einführen und Abgeben des Kältemittels ermöglicht und einen Einführungsdurchlass (40) enthält, der die Ausstoßkammer (38) mit der Kurbelkammer (32) verbindet, sowie einen Abgabedurchlass (44), der die Kurbelkammer (32) mit der Ansaugkammer (36) verbindet, und ein Steuerventil (42), das in den Einführungsdurchlass (40) oder in den Abgabedurchlass (44) eingefügt ist, um den Druck in der Kurbelkammer (32) zu steuern; wobei das Steuerventil (42) enthält: eine Ventileinheit (50) mit einem Ventilglied (100) zum Öffnen/Schließen des Durchlasses (40, 44) und mit einer Ventilfeder (94) zum Drängen des Ventilglieds in einer Richtung zum Öffnen oder Schließen des Durchlasses (40, 44) und eine elektromagnetische Solenoidbaugruppe (48), die die Ventileinheit betätigt und einen Magnetkreis (M) enthält zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft (F_EA) in einer der Treibkraft (F_S) der Ventilfeder (94) entgegengesetzten Richtung beim Zuführen eines Stroms, mit einem festen Kern (62) und einer Betätigungsstange (90), die sich gleitfähig durch den festen Kern erstreckt, zum Übertragen der elektromagnetischen Kraft (F_EA) zu dem Ventilglied (100); wobei die Steuerventilvorrichtung weiter eine Steuereinrichtung (16, 22, 72) enthält zum Zuführen eines vorbestimmten Stroms zu der elektromagnetischen Solenoidbaugruppe (48) auf der Grundlage einer für den Kompressor (4) angeforderten Sollausstoßkapazität; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung weiter einen Widerstandsänderungsmechanismus (108, 116, 118) enthält zum Verändern eines magnetischen Widerstands des Magnetkreises (M) entsprechend einem Druckunterschied (ΔP_A) des Kältemittels zwischen zwei in der Klimaanlage festgelegten Punkten (P₁, P₂).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Widerstandsänderungsmechanismus enthält: ein bewegliches Glied (108), das einen Teil des Magnetkreises (M) bildet, wobei das bewegliche Glied (108) dem festen Kern (62) benachbart ist mit einem Magnetspalt (116) dazwischen und den Druckunterschied (ΔP_A) in einer Richtung zum Vergrößern des Magnetspalts (116) aufnimmt, und eine Rückstellfeder (118) zum Drängen des beweglichen Glieds (108) in einer Richtung zum Verkleinern des Magnetspalts (116).
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Widerstandsänderungsmechanismus weiter enthält: einen Durchlass (124) zum Aufnehmen eines Kältemitteldrucks (P_H, P_D, P_c, P_SH) auf einer Hochdruckseite des Systems in dem magnetischen Spalt (116) und eine Kammer (80), in der die Rückstellfeder (118) untergebracht ist, zum Aufnehmen eines Kältemitteldrucks (P_L, P_s, P_s, P_SL) auf einer Niedrigdruckseite des Systems, wobei die Drücke (P_H, P_D, P_c, P_SH; P_L, P_s, P_s, P_SL) auf der Hoch- und Niedrigdruckseite den Druckunterschied (ΔP_A) hervorbringen und der Magnetspalt (116) und die Kammer (80) unabhängig von dem Inneren der Ventileinheit (50) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das bewegliche Glied (108) gleitfähig auf der Betätigungsstange (90) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Widerstandsänderungsmechanismus weiter einen Abstandshalter (114) enthält, der auf der Betätigungsstange zwischen dem festen Kern (62) und dem beweglichen Glied (108) angeordnet ist, wobei der Abstandshalter (114) aus einem nichtmagnetischen Material besteht und einen Minimalwert des Magnetspalts (116) festlegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Steuereinrichtung (16, 22, 72) die Sollausstoßkapazität des Kompressors (4) auf der Grundlage von externen Informationen bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Steuereinrichtung (16, 22, 72) einen der Baugruppe (48) zuzuführenden Strom (I) so bestimmt, dass eine durch den Strom (I) und den Magnetspalt (116) bestimmte elektromagnetische Kraft (F_EA) des Magnetkreises (M) im wesentlichen gleich groß wird wie die Treibkraft (F_S) der Ventilfeder (94), wenn eine tatsächliche Ausstoßkapazität des Kompressors (4) mit der Sollausstoßkapazität übereinstimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Steuerventil (42) in den Einführungsdurchlass (40) eingesetzt ist und die Ventilfeder (94) das Ventilglied (100) in seine Öffnungsrichtung drängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Druckunterschied aus den Kältemitteldrücken (P_H; P_L) von zwei Punkten (P₁; P₂) gewonnen wird, die zwischen dem Kompressor (4) und einem Kondensator (6) der Klimaanlage festgelegt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Druckunterschied aus den Kältemitteldrücken (P_D, P_c P_SH; P_s P_s P_SL) von zwei in dem Kompressor (4) festgelegten Punkten gewonnen wird.