DE102005007849A1

DE102005007849A1 - Axialkolbenverdichter

Info

Publication number: DE102005007849A1
Application number: DE102005007849A
Authority: DE
Inventors: Henrick Brandes; Ullrich Hesse; Otfried Schwarzkopf; Oliver Tschismar
Original assignee: VALECO COMPRESSOR EUROP GmbH; VALECO COMPRESSOR EUROPE GmbH
Current assignee: VALECO COMPRESSOR EUROP GmbH; VALECO COMPRESSOR EUROPE GmbH
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-08-17
Also published as: US20080138212A1; JP2008536035A; WO2006079525A1; EP1841965A1

Abstract

Verdichter, insbesondere Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse (1) und einer in dem Gehäuse (1) angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit durch den in einer im wesentlichen durch das Gehäuse (1) begrenzten Triebwerkskammer vorherrschenden Druck (P¶C¶) geregelt ist, wobei eine zusätzliche Regeleinrichtung (17) für den sauggasseitigen Kältemittelmassenstrom bzw. den Saugdruck bzw. die Saugdichte vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere einen Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Beispiel für einen derartigen Axialkolbenverdichter ist aus der DE 197 49 727 A1 bekannt. Dieser umfaßt ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete, über eine Antriebswelle angetriebene Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Käl-temittels. Die Verdichtereinheit wird im wesentlichen durch den Druck P_C in einer Triebwerkskammer jeweils abhängig von der Last bzw. der Drehzahl des Verdichters geregelt, wobei auch ein Saugdruck P_V1 und ein Hochdruck P_V2, welche an der Saug- bzw. Auslaßseite des Verdichters vorherrschen Einfluss auf die Regelung des Verdichters nehmen. Die Regelung erfolgt über eine Änderung des Kolbenhubs des Verdichters, welcher von der Auslenkung einer Schwenkscheibe aus einer Null-Position bestimmt ist.

Bei einem solchen Axialkolbenverdichter kommt es jedoch dazu, daß aufgrund der im Verdichter vorherrschenden Kräfteverhältnisse, insbesondere aufgrund von Fliehkräften, der Verdichter bei hohen Drehzahlen eine aufregelnde Tendenz aufweist, d.h. daß der Verdichter eine Tendenz hin zu einem größeren Kolbenhub und somit zu einem höheren Druck auf der Hochdruckseite aufweist.

In der DE 195 14 748 C2 werden die grundsätzlich bei allen nach dem Stand der Technik existierenden Verdichtern der Schwenkscheiben-Bauart an der Schwenkscheibe wirk samen Kippmomente erläutert, die maßgeblich zum Kipp- bzw. Schwenkverhalten der Schwenkscheibe beitragen. Das in der besagten Druckschrift beschriebene Kippverhalten des Verdichters kann als exemplarisch für Verdichter der Schwenkscheiben-Bauart angesehen werden. Im allgemeinen sind es die folgenden Momente, die im Zentrum der Kipp bewegung der Schwenkscheibe Einfluß auf das Kippen der Schwenkscheibe haben. In Klammern ist die Richtung des Momentes angegeben, wobei (-) abregelnd, d.h. in Richtung des Minimalhubs, und (+) aufregelnd, d.h. in Richtung des Maximalhubs der Kolber bedeutet. Im wesentlichen spielen folgende Momente eine Rolle:

– Moment infolge der Gaskräfte in den Zylinderräumen (+)
– Moment infolge der Gaskräfte aus dem Triebwerksraum (-)
– Moment infolge einer Rückstellfeder (-) bzw.
- Moment infolge einer Aufstellfeder (+)
– Moment infolge der rotierenden Massen (-), wobei hierzu beispielsweise die Schwenkscheibe gehört (inklusive eines Moments infolge der Schwerpunktlage, wobei dieser Anteil beispielsweise gemäß der DE 195 14 748 C2 positiv, d.h. (+) sein kann)
– Moment infolge der translatorisch bewegten Massen (+), wozu beispielsweise Kolben, Gleitsteine oder auch eine oszillierende Taumelscheibe gehören können.

Wie der oben stehenden Auflistung entnommen werden kann, ist das Moment infolge der rotierenden Massen, das in der Folge als M_sw bezeichnet wird, im allgemeinen über einen weitgehenden Kippewinkelbereich abregelnd wirksam. Lediglich im Bereich sehr kleiner Kippwinkel kann zum Beispiel durch eine exponierte Schwerpunktslage (Steineranteil bei der Berechnung des Deviationsmomentes J_yz) bei der Schwenkscheibe ein aufregelndes Moment erzeugt werden. Weiterhin ist in der DE 195 14 748 C2 ein Verlauf für das Moment aufgrund translatorisch bewegter Massen angegeben. Dieses ist, wie bereits erläutert, aufregelnd wirksam.

Weiterhin von Interesse ist die Momentensumme, die beim Gegenstand der DE 195 14 748 C2 für den gesamten Kippwinkelbereich der Schwenkscheibe für ein aufregelndes Verhalten des Verdichters verantwortlich ist, da die translatorisch bewegten Massen in einem weiten Kippwinkelbereich das Regelverhalten dominieren.

In bezug auf den Stand der Technik, insbesondere gemäß der DE 195 14 748 C2 , ist es dabei nachteilig, daß bei Erhöhung des Fördervolumens infolge einer Drehzahlerhöhung eine zusätzliche Erhöhung des Fördervolumens infolge eines vergrößerten Schwenkschei benkippwinkels hinzukommt. Dies muß durch entsprechende Regeleingriffe kompensiert werden, was aufwendig ist, die Effizienz des Antriebsmotors vermindert und somit den Kraftstoffverbrauch erhöht.

Aus der EP 0 809 027 A1 ist ein Verdichter bekannt, bei dem versucht wird, die Fördermenge des Verdichters durch das dynamische Verhalten des Verdichtertriebwerks zu kompensieren, so daß die Fördermenge des Kältemittels bzw. der Kältemittelmassenstrom konstant gehalten werden kann. Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehgeschwindigkeiten wird angeregt, das rückstellende Drehmoment der Taumelscheibe auszunutzen, das ihrer Schrägstellung aufgrund dynamischer Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt.

Aus der DE 198 39 914 A1 sind Maßnahmen bekannt, wie ein derartiges Regelverhalten, d.h. also zumindest eine teilweise Kompensation der Fördermenge erreicht werden kann. Es wird vorgeschlagen, die Bauteilmasse der Schwenkscheibe im Hinblick auf die translatorisch bewegten Massen so zu dimensionieren, daß die Fliehkräfte der Schwenkscheibe das Regelverhalten der Schwenkscheibe beeinflussen. Gemäß der DE 198 39 914 A1 wird angeregt, daß die rotierende Masse der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils der Schwenkscheibe größer ist als die gemeinsame Masse aller Kolben, so daß die beim Drehen der Schwenkscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe bewußt regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.

Aus der DE 103 29 393 A1 , welche auf die Anmelderin zurückgeht, wird weiterhin dargelegt, warum die Bauteilmasse nicht der bevorzugte Parameter sein sollte, um das Regelverhalten des Triebswerks infolge von Drehzahlschwankungen wie gewünscht zu beeinflussen. Das gewünschte Regelverhalten des Verdichters wird gemäß der DE 103 29 393 A1 primär nicht mit der Bauteilmasse der Schwenkscheibe in Relation zu den translatorisch bewegten Massen erreicht, sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes der Anordnung der Schwenkscheibe, welches mehr von der Geometrie derselben abhängt als von ihrer Bauteilmasse. Ein Kerngedanke innerhalb dieser Anmeldung ist es, bei Drehzahlschwankungen oder Drehzahländerungen das Moment infolge translatorisch bewegter Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren oder auch zu überkompensieren. Bei neuartigen Verdichtern ist es nämlich erwünscht, die Häufigkeit und die Intensität von Regeleingriffen auf ein niedriges Niveau zu reduzieren.

An dieser Stelle sei auf die EP 0 809 027 A1 zurückgekommen, in welcher das Ziel vorgegeben wird, eine Konstantregelung der Fördermenge zu erreichen. Es läßt sich jedoch einfach nachweisen, daß allein durch das an der Schwenkscheibe angreifende Aufstellmoment ein entsprechendes Abregeln nicht möglich ist. Das Fördervolumen verhält sich direkt proportional zu der Drehzahl, d.h. also, daß wenn sich die Drehzahl verdoppelt, sich auch das Fördervolumen verdoppelt. Für das Kippmoment der Schwenkscheibe, welches durch das relevante Deviationsmoment ausgelöst wird, gilt jedoch die folgende Gleichung: M_SW = J_yzω². Da die Drehzahl quadratisch das Kippmoment beeinflußt, ist das Ziel einer Konstantregelung der Fördermenge allein durch die Konstruktion oder Dimensionierung einer entsprechenden Schwenkscheibe nicht zu erreichen.

Die bereits vorstehend diskutierten Gegenstände der DE 198 39 914 A1 sowie der DE 103 29 393 A1 zeigen Lösungsansätze und Konstruktionen für das in der EP 0 809 027 A1 formulierte Ziel. Tendenziell läßt sich bei Drehzahlschwankungen, beispielsweise also bei einer Erhöhung der Drehzahl an der Verdichterwelle der Kippwinkel der Schwenkscheibe entweder vergrößern (beispielsweise gemäß DE 195 14 748 ), was unerwünscht ist, oder aber gemäß der DE 198 39 914 , DE 103 29 393 oder EP 0 809 027 A1 verkleinern, wobei anzumerken ist, daß auch eine Verkleinerung bzw. eine tendenzielle Verkleinerung des Kippwinkels bzw. Auslenkwinkels der Schwenkscheibe nur bedingt sinnvoll ist. Auf jeden Fall ist das gewünschte Ziel nur durch eine aufwendige Konstruktion, welche insbesondere hinsichtlich einer Rücksichtnahme auf Momentenverteilungen auch hochpräzise ausgewogen sein muß, möglich. Dies führt zu einer relativ teuren Herstellung von Verdichtern gemäß dem Stand der Technik.

In der (unveröffentlichten), auf die Erfinderin zurückgehenden Patentanmeldung DE 103 47 709 wird vorgeschlagen, die wirksamen Momente infolge der Massenkräfte, bzw. die Momente infolge der Deviationsmomente, so abzustimmen, daß sich der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe bei wechselnden Drehzahlen weitgehend nicht ändert. Beim Gegenstand der DE 103 47 709 wurde erkannt, daß ein derartiges Regelverhalten ein optimales Triebwerksverhalten darstellt, um so den Massenstrom eines Kältemittelverdichters optimal regeln zu können.

In 14 ist schematisch dargestellt, wie ein Verdichter 101 der beschriebenen Bauart geregelt wird. Ein solcher Verdichter stellt im Betrieb ein Sauggasdruckniveau sowie ein Hochdruckniveau bereit. Ebenso weist auch der Kältemittelkreislauf diese Drucklagen auf. Eine gewisse Druckanpassung bzw. eine Druckeinstellung erfolgt mittels eines Expansionsorgans 103, welches wiederum auf Änderungen des Betriebszustands des Verdichters reagiert und gegebenenfalls regelnd eingreift. Im Verdichtertriebwerksraum wird beispielsweise durch Regelventile am Verdichter ein Druck eingestellt, der zwischen dem Sauggasdruckniveau und dem Hochdruckniveau liegt. Der Triebswerksraumdruck greift in das Kräftegleichgewicht bzw. das Momenten-Gleichgewicht an der Schwenkscheibe derart ein, daß der Kippwinkel der Schwenkscheibe verstellt werden kann. Wird der Triebwerksraumdruck geringfügig über dem Saugdruck eingestellt, so wird die Schwenkscheibe auf maximalen Kippwinkel verstellt. Wird der Triebwerksraumdruck deutlich über dem Saugdruck eingestellt, so wird die Schwenkscheibe auf minimalen Kippwinkel verstellt. Die Regelung erfolgt durch die möglichen Volumenströme zwischen den einzelnen Kammern bzw. Drucklagen. Im Weiteren stellen die Bezugszeichen 102 einen Gaskühler/Verflüssiger, 104 einen Verdampfer und 105 eine Regelstrecke dar. Alternativ zu der durch die durchgezogene Linie gekennzeichneten Regelstrecke zwischen dem Gaskühler/Verflüssiger 103 und dem Druckniveau P_V1, in der P_V1 als Sollwert gewählt ist, ist eine zweite Alternative für eine Regelstrecke 105 gestrichelt eingezeichnet, welche P_V2 als Sollwert aufweist. Eine derartige Regelstrecke ist insbesondere für das Kältemittel CO₂ gängiger. Das beschriebene Modell ist hier vereinfacht dargestellt und als beispielhaft anzusehen.

Da sich beim Betrieb des Verdichters bzw. dem Betrieb des Fahrzeugs nahezu permanent die Drehzahl des Verdichtertriebwerks bzw. des Fahrzeugmotors ändert, sind bei Verdichtern nach dem Stand der Technik permanent Regeleingriffe notwendig, um z. B. eine konstante Förderleistung des Verdichters sicherzustellen oder den Sollwert zu halten. Da der Triebwerksraum ein vergleichsweise großes Volumen aufweist, ist die Regelung durch eine entsprechende Anpassung des Triebwerksraumdrucks träge und es kommt zu starkem Überschwingen. Demnach ist eine konstante Förderleistung des Verdichters nur unter schwierigen Umständen zu erzielen. Ebenso vermindern die Regeleingriffe die Leistung des Fahrzeugs bzw. konsumieren Leistung des antreibenden Motors.

Ausgehend von dem vorstehend diskutierten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter (insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen Schwenkscheibenverdichter mit veränderlichem Kolbenhub) für die Anwendung in Fahrzeugklimaanlagen bereitzustellen, der eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserte Regelgeschwindigkeit aufweist und den Kältemittelmassenstrom in weiten Drehzahlbereichen ohne erheblichen Leistungsverlust konstant halten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterentwicklungen und Details der Erfindung in den Unteransprüchen beschrieben sind.

Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung ist es also, daß ein Verdichter mit einer Verdichtereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 eine zusätzliche Regeleinrichtung für den sauggasseitigen Kältemittelmassenstrom bzw. den Druck an der Saugseite aufweist. Durch eine derartige konstruktive Maßnahme ist neben einer Drosselung des Kältemittelmassenstroms ein Abregeleffekt (der den Großteil des Gesamteffekts ausmacht) bedingt, der sich aus der Nutzung der durch die Drosselung bedingten Druckdifferenz zwischen Druckseite bzw. dem an der Auslaßseite anliegenden Druck (P_V2) und Saugseite bzw. dem auf den Kolben einwirkenden Druckniveau P_V1* ergibt. Zur Illustration sei eine erfindungsgemäße Konstruktion nachstehend auf einen Axialkolbenverdichter angewandt betrachtet, wobei angemerkt sei, daß dies keineswegs einschränkend ausgelegt werden darf, da eine erfindungsgemäße Konstruktion auf eine ganze Reihe von Verdichtern einer anderen Bauart ebenfalls angewandt werden kann. Strömt das Kältemittel mit einem geringeren Druckniveau bzw. einer geringeren Saugdichte in die Zylinder des Axialkolbenverdichters ein, so weist der Verdichter bei einem gleichbleibenden Druck in der Triebwerkskammer die Tendenz auf, abzuregeln, d.h. also den Kolbenhub zu verkleinern. Demnach greift die Begrenzung des Kältemittelmassenstroms bzw. des Saugdrucks direkt in die Regelung des Verdichters ein. In anderen Worten ausgedrückt, führt eine Veränderung des Volumenstroms in der Hauptsache zu einer Änderung der den Verdichter regelnden Druckdifferenz und damit zu einer vorbestimmten Regelcharakteristik.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters umfaßt die Regeleinrichtung eine Drosselstelle mit einem Stellglied. Insbesondere kann es sich bei der Drosselstelle um ein Drosselventil oder eine Drosselklappe handeln. Weiterhin ist auch ein Druckminderer denkbar. Das Stellglied sorgt für die Regelung des Kältemittelmassenstroms bzw. des Saugdrucks der auf den Kolben einwirkt (P_V1*). Eine derartige Maßnahme ist konstruktiv leicht umsetzbar und gewährleistet geringe Herstellungskosten.

Optional stellt das Stellglied der Regeleinrichtung den Kältemittelmassenstrom bzw. den Saugdruck drehzahlabhängig ein. Drehzahlen sind eine leicht zugängliche Regelgröße. Eine Detektierung von Drehzahlen kann beispielsweise durch die Erzeugung elektrischer Impulse (Induktionsprinzip) erfolgen, es ist beispielsweise jedoch auch eine direkte, fliehkraftabhängige Regelung denkbar. Durch eine drehzahlabhängige Regelung sind damit vielfältige konstruktive Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verdichters erschlossen, wobei auch hier niedrige Herstellungskosten einen Vorteil bieten.

Die Drosselstelle weist vorzugsweise einen dem Stellglied zugeordneten Anschlag für ein Stellung minimalen Strömungsquerschnitts auf, wobei dieser derart angeordnet ist, daß auch bei sehr hohen Drehzahlen des Verdichters ein vorbestimmter minimaler Kältemittelmassenstrom bzw. Saugdruck gewährleistet ist. Damit ist auf einfache Art und Weise sichergestellt, daß der Verdichter auch bei sehr hohen Drehzahlen nicht aufgrund der Drosselstelle bzw. der zusätzlichen Regeleinrichtung automatisch vollständig abregelt.

Das Stellglied ist in einer einfachen und damit kostengünstig zu produzierenden Variante eines erfindungsgemäßen Verdichters ein Stellkolben, welcher insbesondere in Form eine Stufenkolbens vorliegen kann. Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verdichter um einen Verdichter, welcher eine Schwenkscheibe aufweist, so ist der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe, welche den Kolbenhub des Verdichters bestimmt, weitestgehend durch die Interaktion des Drucks P_C in einem im wesentlichen die Schwenkscheibe aufnehmenden Triebwerksraum einerseits und des Kältemittelmassenstroms auf der Saugseite bzw. des Saugdrucks P_V1* andererseits bestimmt. Eine weitere am Kolben angreifende Kraft wird durch den Druck P_V2 an der Hochdruckseite erzeugt. Durch eine Regelung des Drucks im Triebwerksraum einerseits und eine Regelung des Saugdrucks P_V1* andererseit kann somit eine ideale Regelung des Kolbenhubs verwirklicht werden, wobei für „größere" Regeleingriffe eine Änderung des Drucks in der Triebwerkskammer bzw. im Triebwerksraum zu bevorzugen ist, während eine Feinabstimmung durch eine schnelle Regelung des Saugdrucks erfolgen kann. Wie bereits ausgeführt, ist die Regelung des Saugdrucks mit einer deutlich geringeren Last für den Motor verbunden als die Regelung des Drucks in der Triebwerkskammer, so daß schnelle kleine Regeleingriffe ohne größere Leistungsverluste durchführbar sind.

Die Regeleinrichtung kann von außerhalb des Verdichters betätigbar bzw. ansteuerbar sein. Insbesondere kommt hierfür eine Magnetspule oder dgl. Vorrichtung in Frage. Eine einfache Wartung und ein einfacher Austausch der Betätigungseinrichtung für die Regeleinrichtung ist damit gewährleistet.

Bei einer konstruktiv einfachen und demnach bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Regeleinrichtung einen sauggasseitigen Ölabscheider, der multifunktionale Bedeutung aufweist. Einerseits wird Öl, welches im Sauggas vorhanden ist, abgeschieden, anderer seits kann dadurch gleichzeitig einen Druckregulierung bzw. eine Regulierung des Kältemittelmassenstroms erfolgen.

In einer Variante eines erfindungsgemäßen Verdichters ist die Regeleinrichtung selbstregulierend und insbesondere abhängig von der Differenz der Drücke an der Auslaß- bzw. Hochdruckseite einerseits und der Einlaß- bzw. Saugseite des Verdichters andererseits. Damit wird unter Berücksichtigung der wichtigsten Betriebsparameter eine sichere Regelung des Verdichters gewährleistet.

Vorzugsweise ist, insbesondere im Falle eines Verdichters der Schwenkscheiben-Bauart, eine Momentenverteilung der rotatorisch und der translatorisch bewegten bzw. bewegbaren Bauteile des Verdichters derart ausgeprägt, daß bei einer Erhöhung der Verdichterdrehzahl eine im Wesentlichen konstante Regelcharakteristik gewährleistet ist (d. h. ausgeglichene Momente). Wiederum am Beispiel eines Schwenkscheibenverdichters erläutert heißt dies, daß der Kippwinkel der Schwenkscheibe im wesentlichen gleich bleibt oder abnimmt. Somit sind in einer günstigen Merkmalskombination eines erfindungsgemäßen Verdichters (wiederum am Beispiel des Schwenkscheibenverdichters erläutert) drei Mechanismen gegeben, die die Regelung des Verdichters beeinflussen, nämlich einerseits der Kältemittelmassenstrom an der Sauggasseite bzw. der Saugdruck P_V1*, welcher erfindungsgemäß regelbar ist, sowie der Druck in der Triebwerkskammer und die Momentenverteilung der Komponenten des Verdichters. Dies bedeutet, daß aufgrund der Bauweise der Schwenkscheibe bzw. der Kolben die Momentenverteilung bzw. das Momentenverhältnis bewirkt, daß der Verdichter sich in Bezug auf die Drehzahl neutral verhält, d. h. insbesondere nicht aufregelt. Eine Abregeltätigkeit wird bei Bedarf durch einen entsprechenden Regeleingriff für den Druck P_C im Triebwerksraum unterstützt, wobei insbesondere kleinere Regeleingriffe über die Justierung des Saugdrucks P_V1* ohne nennenswerte Leistungsverluste des Motors erfolgen können.

Die Regeleinrichtung kann in einem sich vornehmlich im Zylinderkopf des Verdichters erstreckenden Sauggaskanal angeordnet sein. Der Sauggaskanal verbindet einen Sauggaseinlaß des Verdichters mit einer Sauggaskammer, die den Einlaßöffnungen der einzelnen Zylinder vorgeschaltet bzw. vor diesen angeordnet ist.

Die Regeleinrichtung kann des weiteren Mittel zum Messen des Kältemittelmassenstroms und/oder des Drucks im Sauggaskanal (sowohl beidseitig der Drosselstelle als auch nur auf einer Seite der Drosselstelle) und/oder der Drehzahl des Verdichters und/oder des diesen antreibenden Motors und/oder eines verdichterausgangsseitigen Druckes umfas sen. Je nach der konkreten Bauart des Verdichters ist somit eine Regelung desselben auf Basis einer leicht zugänglichen Größe möglich.

Das Stellglied der Regeleinrichtung wirkt optional gegen die Kraft eines elastischen Elementes, insbesondere gegen die Kraft einer Feder. Dies ermöglicht einen weiten Bereich verschiedener Regelcharakteristiken (je nachdem, welche Charakteristik das elastische Element aufweist) und stellt gleichzeitig eine einfach zu realisierende selbsttätige Regelung des Stellgliedes dar. In einer bevorzugten Ausführungsform hiervon ist die Kraft des elastischen Elements insbesondere durch eine Stellschraube oder dgl. Vorrichtung einstellbar. Dadurch wird gewährleistet, daß mit ein und demselben Aufbau verschiedene Regelcharakteristiken einfach eingestellt werden können. Auch Toleranzen bei der Herstellung des elastischen Elements bzw. der Eigenschaften des elastischen Elements können somit leicht ausgeglichen werden, da eine Feineinstellung der Charakteristik des elastischen Elements möglich ist.

In einer konstruktiv besonders einfach realisierbaren Bauform ist das Stellglied zwischen Druckgas- und Sauggasseite angeordnet und wird damit durch die Beaufschlagung mit den Drücken einerseits der Druckgasseite und andererseits der Sauggasseite selbsttätig (ggf. gegen die Wirkung des elastischen Elements) geregelt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Regeleinrichtung eine Drosselstelle mit konstantem Querschnitt. Diese Drosselstelle kann beispielsweise als einzige regelnde Einrichtung bei einem erfindungsgemäßen Verdichter vorliegen oder aber auch in Kombination mit einer Drosselstelle, welche ein Stellglied umfasst. Insbesondere bei Verdichtern mit einem hohen Arbeitsdruck also beispielsweise Verdichtern, welche CO₂ als Kältemittel verwenden, kann bereits durch diese einfache konstruktive Maßnahme der gewünschte Erfolg erzielt werden. Optional sind die Saugleitung und/oder eine Verbindung zwischen dem Verdichter und einem Verdampfer ein Bestandteil der Regeleinrichtung, wobei insbesondere im Fall einer Drosselstelle mit konstantem Querschnitt eine effiziente Regelung des Verdichters durch eine entsprechende Auslegung der Saugleitung und/oder der Verbindung zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer erzielt werden kann.

Eine besonders effiziente Variante eines erfindungsgemäßen Verdichters ergibt sich, wenn an beiden Seiten der Regeleinrichtung eine Druckdifferenz von etwa 1 bar bei einer Verdichterdrehzahl von etwa 600 U/min und/oder von etwa 10 bar bei etwa 8000 U/min vorliegt. Die Regeleinrichtung bzw. Drosselstelle umfasst vorzugsweise eine Rohrleitung mit einem Rohrquerschnitt von etwa 8 mm bis 10 mm, wobei dies insbesondere im Falle einer Drosselstelle mit konstantem Querschnitt eine gewünschte Regelcharakteristik sicherstellt. Wie bereits vorstehend erwähnt findet in einer besonderen Bauform eines erfindungsgemäßen Verdichters CO₂ als Kältemittel Verwendung.

Ein besonders effizient und mit wenigen Regeleingriffen betreffend den Druck P_C im Triebwerksraum auskommender Verdichter ergibt sich, wenn ein Moment infolge der rotatorischen bewegten Bauteile des Verdichters im wesentlichen gleich groß ist wie ein Moment aufgrund der translatorisch bewegten Bauteile des Verdichters d. h. wenn sich der Verdichter in seinem Regelverhalten drehzahlneutral verhält.

Die Erfindung wird nachfolgend in Hinsicht auf weitere Vorteile und Merkmale beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer Schnittansicht;
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters;
3 Darstellung eines für die Berechnung der Momentenverhältnisse maßgeblichen Koordinatensystems;
4 Schnitt- und Explosionsdarstellung eines Schwenkscheibenmechanismus;
5 bis 7 die Regelcharakteristik eines Verdichters für verschiedene Momentenverteilungen der translatorisch und rotatorisch bewegbaren Komponenten des Verdichters;
8 einen Kolben eines Verdichters der ersten oder zweiten bevorzugten Ausführungsform mit den auf ihn einwirkenden Druckverhältnissen;
9a bis 9c ein Massenstrom-Diagramm, ein p-V-Diagramm und eine Regelcharakteristik eines erfindungsgemäßen Verdichters; und
10 bis 13 weitere Beispiele für Regelcharakteristiken eines Verdichters, der bei zunehmender Drehzahl eine aufregelnde Tendenz aufweist, und eines Verdichters, der eine abregelnde Tendenz zeigt.
Aus 1 ist ersichtlich, daß eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters ein Gehäuse 1, einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 um faßt. Im Zylinderblock 2 sind Kolben 4 axial hin- und herbewegbar gelagert. Der Antrieb des Verdichters erfolgt über eine Riemenscheibe 5 mittels einer Antriebswelle 6. Bei dem vorliegenden Verdichter handelt es sich um einen Verdichter mit variablem Kolbenhub, wobei der Kolbenhub durch einen Auslenkwinkel einer Schwenkscheibe 7 bestimmt ist. Die Schwenkscheibe 7 steht über Gleitsteine 8 mit den Kolben 4 in Wirkeingriff und wird von der Antriebswelle 6 drehangetrieben. Der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe 7 kann wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch eine Druckänderung in einer Triebwerkskammer 8', in welcher im wesentlichen die Schwenkscheibe angeordnet ist, beeinflußt werden. Die Triebwerkskammer 8' kann mit Drücken zwischen einem Saugdruck, also einem an einer Einlaßseite des Verdichters vorherrschenden Druck, und einem Hochdruck, d.h. einem an einer Auslaßseite des Verdichters vorherrschenden Druck, beaufschlagt werden. Je nach dem in der Triebwerkskammer 8' vorherrschenden Druck bzw. je nach der Differenz der Drücke an der Saugseite und in der Triebwerkskammer ergibt sich ein vorbestimmter Auslenkwinkel für die Schwenkscheibe und somit ein vorbestimmter Druck an der Auslaßseite des Verdichters.
Eine zweite, den Auslenkwinkel der Schwenkscheibe 7 beeinflussende Größe ist die Momentenverteilung zwischen den translatorisch beweglichen Bauteilen des Zylinders, wie beispielsweise den Kolben 4 oder den Gleitsteinen 8, und den rotatorisch bewegbarer Bauteilen des Verdichters, wie beispielsweise der Schwenkscheibe 7. Hier kann durch eine entsprechende Masse bzw. Momentenverteilung erreicht werden, daß der Verdichter bei hohen Drehzahlen eine eher abregelnde Tendenz aufweist. Dies ist gerade bei modernen Verdichtern gewünscht, um ohne eine große Anzahl von Regeleingriffen ein Vereisen insbesondere bei hohen Drehzahlen vermeiden zu können. Auf die genaue konstruktive Ausgestaltung bezüglich der Momente sei nach einer kurzen Erläuterung der weiteren wichtigen Merkmale des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform genauer eingegangen.
Wie 1 weiterhin entnehmbar ist, ist im Zylinderkopf 3 ein Sauggaskanal 9 angeordnet, welcher einen Sauggaseinlaß 10 mit einer Sauggaskammer 11 verbindet, welche den Zylindern vorgeschaltet angeordnet ist. Das komprimierte Fluid bzw. Kältemittel wird über eine Druckgas- bzw. Auslaßkammer 12 dem Kältemittelkreislauf zur Verfügung gestellt. Im Sauggaskanal 9 ist zur Regulierung des sauggasseitigen Kältemittelmassenstrom und damit auch des Druckes an der Saugseite des Verdichters eine Regeleinrichtung angebracht. Diese umfaßt einen Stellkolben 13, welcher, alternativ zur dargestellten Ausführungsform auch als Stufenkolben ausgebildet sein kann, ein elastisches Element in Form einer Feder 14 sowie eine Stellschraube 15, die dazu dient, die Vorspannung der Feder 14 einzustellen. Der Stellkolben 13 ist auf seiner der Auslaß- bzw. Druckgaskammer 12 zugeneigten Seite mit dem Auslaß- bzw. Hochdruck beaufschlagt, während er auf der der Stellschraube 15 zugeneigten Seite, d.h. also auf der dem Sauggaseinlaß 10 zugeneigten Seite, mit dem Saug- bzw. Einlaßdruck beaufschlagt ist. Je höher der. Auslaßdruck des Verdichters ist, um so weiter wird der Kolben 13, welcher das Stellglied der Regeleinheit darstellt, in den Sauggaskanal 9 hineingedrückt und verengt dadurch dessen Querschnitt. Daraus resultiert ein geringerer Kältemittelmassenstrom zu der Sauggaskammer 11 hin, was zu einem niedrigeren Druck in der Sauggaskammer 11 und somit zu einem abregelnden Verhalten des Verdichters führt.
Aus der Zeichnung nicht deutlich ersichtlich ist, daß dem Stellkolben 13 ein Anschlag für eine Stellung minimalen Strömungsquerschnitts zugeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt daß auch bei sehr hohen Drehzahlen des Verdichters und einem relativ hohen Ausgangsdruck ein vorbestimmter minimaler Kältemittelstrom bzw. Saugdruck gewährleistet ist. Die Regeleinheit mit dem Stellkolben 13, der Feder 14 und der Stellschraube 15 ist also selbstregulierend, wobei die Regelung abhängig von den Drücken an der Auslaß- und der Einlaß- bzw. Sauggasseite erfolgt. Somit kann an dieser Stelle festgehalten werden, daß der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe 7 durch die Interaktion des Drucks im Triebwerksraum 8' einerseits und des Kältemittelmassenstroms auf der Sauggasseite bzw. des Saugdrucks andererseits bestimmt ist, wobei der Saugdruck selbst wiederum abhängig vom Ausgangsdruck des Verdichters ist, so daß eine rückgekoppelte Regelung für den Verdichter entsteht.
Alternativ zu der in der 1 dargestellten selbsttätigen Regelung kann die Regeleinrichtung, die in der schematischen Darstellung der 2 allgemein als Drosselstelle 17 bezeichnet ist, selbstverständlich auch durch externe Regelgrößen sowie auch durch externe Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Magnetspule, geregelt werden. In 2 ist dargestellt, daß die Drosselstelle 17 bzw. die Drossel (Stellglied) durch ein externes Signal 16 geregelt wird. Dieses Signal kann z.B. auf Basis einer Messung des Massenstroms, des Drucks auf der Hochdruckseite oder eines Differenzdrucks zwischen Sauggaskanal und Hochdruckseite bzw. eines Differenzdrucks im Sauggaskanal, der sich durch die verschie denen Drücke P_V1 und P_V1* auf den beiden Seiten der Drosselstelle 17 ergibt, generiert werden. Selbstverständlich sind auch andere Parameter, wie beispielsweise eine Drehzahl, oder aber auch Temperaturen oder dgl. Größen als Basis des Signals 16 denkbar.
In 2 ist ferner eine schematische Darstellung des Kältekreislaufs in einem h vs. log p-Diagramm (überkritischer Prozeß, mit CO₂ als Kältemittel) in einer Darstellung an der Drosselstelle (δPV) gezeigt.
Wie bereits bei der Beschreibung der 1 erwähnt, hat auch die Momentenverteilung zwischen den translatorisch bewegten Massen des Verdichters, wie beispielsweise den Kolben 4, und den rotatorisch bewegten Massen, die beispielsweise die Schwenkscheibe 7 beinhalten, eine regelnde Wirkung auf den Verdichter. In der Folge sei etwas näher auf dieses Momentenverhältnis eingegangen. Zur Veranschaulichung sei eine vereinfachte, als beispielhaft anzusehende Herleitung für die verschiedenen Momente betrachtet. Bei komplexen Geometrien insbesondere der Schwenkscheibe (wenn die anschauliche Betrachtung keine zufriedenstellenden Werte mehr liefert) können die Massenträgheitsmomente und Deviationsmomente sowie andere, von Geometrie und Dichte der Materialien beeinflußte Größen, auf einfache Weise mittels CAD berechnet werden.
In der vereinfachten, jedoch anschaulichen Herleitung der Massenträgheitsmomente wird davon ausgegangen, daß der Schwerpunkt der Schwenkscheibe im Kippgelenk auf der Wellenmittelachse liegt, also kein Steineranteil oder ähnliches berücksichtigt werden muß. Für die Herleitung des Deviationsmomentes gelten im allgemeinen die folgenden mathematischen Zusammenhänge, wobei das maßgebliche Koordinatensystem in 3 dargestellt ist: Jyz = –J1cosα2 cosα3 – J2cosβ2 cosβ3 – J3cosγ2 cosγ3 α₁=0
β₁ = 90° Richtungswinkel der x-Achse
γ₁ = 90° gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, .ηη, .ζζ
α₂ = 90°
β₂ = ψ Richtungswinkel der y-Achse
γ₂ = 90° + ψ gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, .ηη, .ζζ
α₃ = 90°
β₃ = 90° – ψ Richtungswinkel der z-Achse
γ₃ = ψ gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, .ηη, .ζζ
Das hierbei verwendete Koordinatensystem geht, wie vorstehend erwähnt, aus 3 hervor. Weiterhin gilt für einen „Ring":
Für das Deviationsmoment, welches für die Schwenkbewegung maßgebend ist, gilt Jyz = –J2 cosψ sinψ + J3 cosψ sinψ
Unabhängig von der 3 gilt für das Moment infolge Massenkräfte der Kolben:
Zi = Rω2 tanα cosβi Fmi = mk zi M(Fmi) = mk R cosβi zi
sowie für das Moment M_sw infolge des Deviationsmoments: Msw = Jyzω2
Im Zusammenhang mit der Erfindung soll für einen beliebigen Kippwinkel oder Kippwinkelbereich folgendes Momentenverhältnis konstruktiv verwirklicht werden:
M_SW ≥ M_k,ges bzw. bevorzugt der Unterfall M_SW = M_k,ges
Damit gilt auch:
Wie bereits erläutert, läßt sich das (Kipp-)Moment der Schwenkscheibe infolge des zugehörigen Deviationsmoments durch verschiedene Parameter (Geometrie, Dichteverteilung Masse, Massenschwerpunkt) bewußt so einstellen, daß
M_SW ≥ M_k,ges oder aber der Unterfall M_SW = M_k,ges gilt.
Im Zusammenhang mit den angegebenen Gleichungen bedeutet:
θ Drehwinkel der Welle (wobei die vor- und nachstehenden Betrachtungen der Einfachheit halber für θ=0 angestellt werden)
η Anzahl der Kolben
R Abstand der Kolbenachse zur Wellenachse
ω Wellendrehzahl
α Kippwinkel des Schwenkringes/Schwenkscheibe
m_k Masse eines Kolbens inklusive Gleitsteine bzw. Gleitsteinpaar
m_k,ges Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine
m_sw Masse des Schwenkringes
r_a Außenradius des Schwenkringes
r_i Innenradius des Schwenkringes
h Höhe des Schwenkringes
g Dichte des Schwenkringes
V Volumen des Schwenkringes
β_i Winkelposition des Kolbens i
z_i Beschleunigung des Kolbens i
F_mi Massenkraft des Kolbens i (inklusive Gleitsteine)
M(F_mi) Moment infolge der Massenkraft des Kolbens i
M_k,ges Moment infolge der Massenkraft aller Kolben
M_sw Moment infolge des Aufstellmomentes des Schwenkringes/Schwenkscheibe infolge des Deviationsmoments (J_yz)
4 zeigt das der Herleitung beispielhaft zugrunde gelegte Triebwerk der Schwenkscheibenbauart. Bei der Herleitung wird vereinfacht das Kippmoment M_sw infolge des Deviationsmomentes J_yz der Schwenkscheibe zu den translatorisch bewegten Massen, bzw. dem dadurch erzeugten Moment M_K,ges ins Verhältnis gesetzt. Vereinfachend werde Kräfte und Momente der Stifte bzw. der Gaskraftstütze oder ähnliches in dem Berechnungsschema nicht erfaßt. Diesen kommt eine untergeordnete Bedeutung bei.
Aus den mathematischen Zusammenhängen ist zu erkennen, daß sich aus der Gleichung der Drehzahleinfluß herauskürzen läßt. Ansonsten sind noch geometrische Größen enthalten die in bestimmten Zusammenhängen zueinander stehen und grundsätzlich inklusive der Bauteildichten und Dichteverteilungen, so gewählt werden können, daß die Summe der Momente infolge Massenkräfte gleich Null eingestellt werden kann.
Aus den 5, 6 und 7 geht jeweils ein Berechnungsschema gemäß der verwendeten Gleichungen hervor. Weiterhin wird als Berechnungsergebnis das Momentengleichgewicht dargestellt. Dazu wird außerdem (qualitativ) eine Kippcharakteristik dargestellt, wie sie sich unter Berücksichtigung der Gaskräfte ergeben würde.
Die Kippcharakteristiken der 5, 6 und 7 ergeben sich dann, wenn neben der Variation von Drehzahl und dem Treibwerksraumdruck neben den erläuterten Kräften und Momenten ein bestimmter Saugdruck und ein bestimmter Hochdruck systembedingt aufgeprägt werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß in etwa der vor dem Verdichter. anliegende Ansaugdruck und der nach dem Verdichter anliegende Hochdruck dem Saug druck und dem Hochdruck im Verdichter entsprechen, d.h. keine Drosselung im Verdichter vorliegt.
In Bezug auf die nach den angegebenen Gleichungen berechneten Momentengleichgewichte ergibt sich gemäß

• 5 ein Triebwerk mit aufregelndem Verhalten,
• 6 ein Triebwerk mit abregelndem Verhalten, sowie gemäß
• 7 ein Triebwerk mit neutralem Verhalten.

Anhand 7 sowie der Gleichung der Momentensumme kann man einen Einfluß des Kippwinkels leicht nachvollziehen. Der Effekt ergibt sich aus den Verläufen der Terme tan(α) und sin(2α). D.h. die Momentenbilanz kann in der Auslegung für genau einen Kippwinkel ausgeglichen werden; geschieht das z.B. für den maximalen Kippwinkel der Schwenkscheibe, so gibt es kleinere Abweichungen in der Momentenbilanz für andere Kippwinkel. Diese Abweichungen kann man aber relativ klein halten.
Für folgende Kippwinkel ist die Einstellung des Momentengleichgewichts denkbar: für αmin<=α<=αmax: MK,ges=Msw für α=(αmax – αmin)/2: MK,ges=Msw für αmax=αmax: MK,ges=Msw für α>=αmax: MK,ges=Msw
Die beiden zuletzt genannten Fälle sind zu bevorzugen.
Der Vorteil eines in der Momentenbilanz weitgehend ausgeglichenen Triebwerks liegt unter anderem darin, daß sich bei Drehzahlerhöhung nicht auch noch der Kolbenhub erhöht, d.h. in einem solchen (unerwünschten) Fall wären zwei Effekte vorhanden, die kompensierst werden müßten. Es lässt sich also festhalten, daß der Fall zu bevorzugen ist, in dem M_k,ges in etwa gleich M_sw ist, was zu einem drehzahlneutralen Regelverhalten des Verdichters führt. Falls gewünscht kann auch M_sw größer als M_k,ges gewählt werden, was bei hohen Drehzahlen zu einem abregelnden Verhalten des Verdichters führt; keinesfalls jedoch wünschenswert ist der Fall, in dem gilt, daß M_k,ges größer ist als M_sw (Aufregeln des Verdichters mit zunehmender Drehzahl).
Wie vorstehend erwähnt ist es zu bevorzugen, daß M_k,ges in etwa M_sw entspricht. Wie 7 zu entnehmen ist, ist in einer Auftragung des Triebwerksraumdrucks über dem Kippwinkel für alle Drehzahlen n bei einer ungefähren Momentengleichheit der Kurvenverlauf sehr ähnlich. Dies spiegelt sich auch in einer Auftragung des Moments gegen den Kippwinkel wieder, aus der entnommen werden kann, daß für alle Kippwinkel die Momentenbilanz nahezu konstant ist. Die Einzelmomente jedoch variieren durchaus für verschiedene Kippwinkel, wobei M_k,ges im gesamten dargestellten Bereich für zunehmend Kippwinkel ansteigend ist, während M_sw für zunehmenden Kippwinkel abnehmend ist, so daß sich die dargestellte Momentenbilanz M_k,ges + M_sw, welche in etwa konstant ist, ergibt Ein durch einen derartigen Momentenverlauf gekennzeichneter Verdichter ist somit in seiner Regelcharakteristik nahezu drehzahlunabhängig.
Ist der Effekt aufgrund der Momentenbilanz abregelnd wirksam, so stimmt zumindest die Tendenz. Allerdings ist der Einfluß auf die wirksamen Momente M_sw und M_K,ges durch die Drehzahl quadratisch gegenüber dem linearen Einfluß der Drehzahl auf das Hubvolumen und somit nur bedingt geeignet, den geförderten Massenstrom konstant zu halten.
Neben dem sich gegenüber den Drehzahlveränderungen neutral verhaltenden Triebwerk, wird der Kippwinkel der Schwenkscheibe im wesentlichen nur durch Variation der Drücke P_V1 (Saugdruck), P_V2 (Hoch- bzw. Auslaßdruck), sowie des Triebwerksraumdruckes p_C verändert. In einem konstanten Betriebspunkt bei vorgegebenem P_V1 und P_V2 geschieht die Änderung normalerweise im wesentlichen nur durch den Triebwerksraumdruck p_C.
Bei Auslegung eines Triebwerkes nach den beschriebenen Kriterien ist bei Drehzahländerung ein proportionales Verhalten in Bezug auf den geförderten Kältemittelmassenstrom vorhanden. D.h. verdoppelt sich die Verdichterdrehzahl bei gleichbleibenden Schwenkscheibenkippwinkel, was bei einem sich neutral verhaltenden Triebwerk gegeben ist, so wird auch in etwa die doppelte Kältemittelmenge gefördert. Eine Förderung genau der doppelten Kältemittelmenge ergibt sich, wenn man weitere Verluste, welche durch die geänderten Strömungsverhältnisse etc. entstehen vernachlässigt. Unter Berücksichtigung der geänderten Strömungsverhältnisse können sich Abweichungen ergeben.
Um bei einer z.B. deutlichen Steigerung der Drehzahl den geförderten Kältemittelmassenstrom konstant zu halten bzw. zu limitieren, ist, wie bereits bei der Beschreibung der 1 und 2 erläutert, im Bereich der Kältemittelansaugung eine Drosselstelle vorgesehen, die variabel ist und schnell eingreift.
Es ist möglich, den Verdichter derart auszulegen, daß die Drosselung direkt in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl eingreift (wie z.B. in der zweiten bevorzugten Ausführungsform, vgl. 2). In der ersten bevorzugten Ausführungsform hingegen (vgl. 1) ist der Querschnitt der Drosselstelle eine Funktion des Verdichterhochdruckes P_V2, d.h. die Drosselung wird hochdruckabhängig gesteuert.
Erhöht sich die Verdichterdrehzahl (z.B. schlagartig), so steigt der Druck P_V2 in etwa ebenso schnell an. Da hochdruckseitig keine wesentliche Drosselung stattfindet, kann man sowohl P_V2 für den systemseitigen Hochdruck als auch für das Druckniveau hochdruckseitig im Zylinderkopf annehmen. Druckverluste der Rohrleitungen spielen nur eine untergeordnete Rolle, so daß sie in dieser Betrachtung vernachlässigt werden können. Weiterhin sinkt bei der angesprochenen Erhöhung der Verdichterdrehzahl der Saugdruck ab, wobei der Druck P_V ₁, der vor der Drosselstelle herrscht, in etwa sein Niveau hält (systemseitiges Druckniveau auf der Saugseite), während der Druck P_V1* nach der Drosselstelle gegenüber P_V1 absinkt. Der Druck P_V2 wirkt nun als wesentliche Stellgröße (neben dem Saugdruck) so auf den Drosselungsmechanismus ein, daß der Querschnitt de: Drosselstelle verkleinert wird.
Das Absenken des Druckes P_V1 auf den Druck P_V1* hinter der Drosselstelle hat die Folge daß an den Zylindern (an den Saugventilen) eine verringerte Saugdichte (verringerter Druck) anliegt; dadurch nimmt der Druck im Zylinder bzw. an den Endflächen der Kolben (die in Richtung der Ventilplatte gerichtet sind) ab, so daß sich der Kippwinkel tendenziell verkleinert. Weiterhin führt das dazu, daß sich der Druck P_V2 wieder verkleinert, was wiederum eine Rückkopplung auf die Drossel zur Folge hat.
Da im wesentlichen der Ansaugzustand des Verdichters, der durch die Größen t_V1 und P_V1 beschrieben werden kann (vgl. 14), nicht geändert wird, wird das angegeben Expansionsventil seine Einstellung nicht verändern und die Druckniveaus P_V1 und P_V2 bleiben ebenfalls erhalten. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Regelstrecke auch anders beschaffen sein kann, so daß anstelle von P_V1 der Druck P_V2 zur Zustandsbeschreibung des Verdichters herangezogen werden kann.
Zusammengefaßt bleiben die thermodynamischen Größen vor dem Verdichter und hinter dem Verdichter (in Kreislaufrichtung) gleich und das Regelungsorgan im System greift nicht ein.
Neben einem thermostatischen Expansionsorgan sind natürlich auch anders arbeitende und anders angesteuerte Expansionsorgane denkbar.
Durch die Erhöhung der Verdichterdrehzahl reguliert sich der Verdichter selbsttätig, indem neben dem Triebwerksraumdruck P_C der Ansaugdruck P_V1 oder der Hochdruck P_V2 regulierend wirksam wird. Da P_V1 bzw. P_V2 auch vom Betriebszustand des Systems aufgeprägt werden, wo in der Regel bei Änderung der Verdichterdrehzahl nicht zwangsläufig ebenfalls Änderungen erwünscht sind, wird ein Druck P_V1* herbeigeführt, der als Gaskraft an den Kolben in das Kräfte- bzw. Momentengleichgewicht der Schwenkscheibe eingreifen kann.
D.h. in einem Betriebzustand mit sich plötzlich erhöhender Drehzahl wird, um den Hochdruck P_V2 und den Massenstrom auf einem gleichen Niveau zu halten, der Saugdruck hinter der Drosselstelle abgesenkt, so daß das Druckniveau P_V1* entsteht. An den Kolben wirken auf der einen Seite die Drücke P_V1* und P_V2, sowie an der anderen Seite (triebwerksseitig) der Druck P_C (vgl. 8). Wird P_V1 auf das Niveau P_V1* abgesenkt, so wird der Kippwinkel der Schwenkscheibe verkleinert, und zwar ohne daß der Kurbelraumdruck geändert werden müßte. D.h. gegenüber dem Stand der Technik, bei der der Triebwerksraumdruck P_C als Stellgröße eingesetzt wird, wird erfindungsgemäß eine weitere Stellgröße P_V1* eingeführt.
Der Druck P_V1* kann deutlich kleiner als P_V1 sein (durchaus um 5 bis 15 bar). Da je nach Betriebspunkt eine solche Drosselung mit deutlichen Verlusten behaftet sein kann, ist die Drosselstelle bzw. Regeleinrichtung in einem weiten Bereich variabel.
Die Drosselstelle, die je nach Stellung den Sauggasleitungsquerschnitt mehr oder weniger verengt, hat in einer bevorzugten Ausführungsform drei verschiedene Arbeitsbereiche:

– In der ersten Stellung wird keine Drosselung herbeigeführt (Betriebsstellung 1)
– In der zweiten Stellung wirken saugseitig an dem Kolben ein Druck, der zwischen den Drücken P_V1 und P_V1* liegt, und hochdruckseitig der Druck P_V2. Weiterhin wirkt als Führungsgröße z.B. die Kraft einer Druckfeder. In der zweiten Stellung wird je nach anliegenden Gaskräften stark oder weniger stark gedrosselt (Betriebsstellung 2).
– In einer dritten Stellung kann der Steilkolben bei vorliegendem minimalem Strömungsquerschnitt in der Saugleitung in einen Anschlag fallen. Ein minimaler Strömungsquerschnitt wird dabei aufrechterhalten (Betriebsstellung 3).

Es versteht sich, daß das hier vorgeschlagene Prinzip nur als beispielhaft anzusehen ist. Es kann z.B. auch ein gestufter Kolben zum Einsatz kommen, wo für die Drücke P_V1 und P_V2 jeweils ein unterschiedlicher Durchmesser zur Beaufschlagung zur Verfügung steht. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß das Stellglied bzw. der Kolben möglichst leckagefrei arbeiten soll, was durch Kolbenringe sichergestellt ist. Auch andere Abdichtmaßnahmen sind denkbar.
9a zeigt für ein vorgegebenes Druckniveau P_V1 und P_V2 des Klimasystems die einstellbaren Massenströme (qualitative Darstellung), während 9b das dazu korrespondierende p-V-Diagramm zeigt. Ausgehend vom Ursprung, wächst mit der Drehzahl der erreichbare Massenstrom. Die Hüllkurve der entsprechenden Steigung zeigt den geförderten Massenstrom für maximalen Schwenkscheibenkippwinkel/maximales geometrisches Hubvolumen. Der Kältemittelmassenstrom m₁ bei der Drehzahl n₁ verdoppelt sich z.B. auf einen Kältemittelmassenstrom m₂ bei einer entsprechenden Drehzahlvergrößerung von n₂ = 2 × n₁. Je größer der gewünschte Kältemittelmassenstrom ist, desto größer muß auch die Verdichterdrehzahl sein, um bei maximalem Verdichterhub diesen zu erreichen. Ist der gewünschte Kältemittelmassenstrom erreicht, z.B. m₁, m₂ oder m₃, so ist bei weiterer Drehzahlerhöhung keine Erhöhung des Kältemittelmassenstroms erwünscht. Die im Diagramm dargestellten waagerechten Verläufe für m₁, m₂ und m₃ korrespondieren jeweils mit einem bestimmten Triebwerksraumdruck, der in etwa konstant ist. Im Bereich der waagerechten Linien kommt mit zunehmender Drehzahl der Effekt der sauggasseitigen Drosselstelle zum Tragen. Während auf der Hüllkurve die sauggasseitige Drossel in der Betriebsstellung 1 ist (keine Drosselung), so wird in dem Betriebsbereich 2 der Drosselquerschnitt mit zunehmender Drehzahl verkleinert.
Demzufolge kann bei entsprechender Auslegung der Drosselstelle für verschiedene Käl-temittelmassenströme, die aufgrund eines bestimmten Betriebszustandes eingestellt sind, der Massenstrom konstant gehalten werden.
Liegt z.B. der Betriebszustand für die Drücke auf der Hochdruckseite und auf der Saugseite des Systems sowie für den Ansaugzustand am Verdichtereintritt mit P_V1, t_V1 sowie P_V2 fest und liegt in dem Betriebszustand die Drehzahl n₂ bei einem Kältemittelmassenstrom m₁ vor, so befindet sich die Drosselstelle im Betriebszustand 2, d.h. der Ansaugquerschnitt der Saugleitung ist im Bereich der Drosselstelle gegenüber dem Ausgangszustand (Betriebszustand 1) verkleinert. Weiterhin hat sich neben dem Druckniveau am Verdichtereintritt P_V1 ein Saugdruck P_V1* eingestellt, der infolge der Drosselung kleiner als der Druck P_V1 ist. Bei weiterer Verringerung des Druckes P_V1* werden die Gaskräfte die auf den Kolben einwirken geringer, so daß bei etwa gleichen Triebwerksraumdruck der Kippwinkel der Schwenkscheibe verkleinert wird (entgegen dem Stand der Technik, vgl. hierzu 9c). Eine Verkleinerung des Schwenkscheibenkippwinkels wiederum führt zu einem geringeren Massenstrom. Es wird in diesem Fall also im wesentlichen nicht die Fördermenge dadurch limitiert oder konstant gehalten, daß ein Druckverlust erzeugt wird oder der Liefergrad bzw. der Grad der Befüllung schlechter wird; hauptsächlich greift die Druckabsenkung in das Gleichgewicht der Hubverstellung direkt ein und regelt den Hub bei steigender Drehzahl ab. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß P_V1* nicht zu stark absinken sollte, da es ansonsten zu zu großen Verlusten kommt.
Das Regelverhalten ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß, entgegen dem Stand der Technik, wo bei konstantem Betriebszustand des Systems beschrieben durch P_V1, t_V1, P_V2 jedem Triebwerksraumdruck P_C genau ein Schwenkscheibenkippwinkel zugeordnet ist (vgl. 5, wobei Ausnahmen im Bereich sehr hoher Drehzahlen oder sehr kleiner Kippwinkel (Maxima) auftreten), für einen Triebwerksraumdruck P_C mehrere Schwenkscheibenkippwinkel denkbar sind. Gegenüber dem Stand der Technik ist nicht nur P_C eine Stellgröße, sondern auch der Druck P_V1*.
Die Druckdifferenz P_V1* – P_C kann negative Werte erreichen. Beim Stand der Technik muß P_C – P_V1 zugrunde gelegt werden. Der Druck P_C ist hier immer größer als der Druck P_V1. Dadurch wird erfindungsgemäß auch der Regelbereich größer (Δp).
Abschließend sei nochmals erwähnt, daß neben der auf den Stellkolben wirkenden Stellgröße Kältemittelmassenstrom m bzw. P_V2 auch eine externe Betätigung eines Stellkolbens oder einer Drosseleinrichtung erfolgen kann (durch eine Magnetspule oder dgl.; vgl. 2). Einer solchen Vorrichtung muß als Signal die Massenstromerhöhung „mitgeteilt" werden, so z.B. durch Detektieren einer saugseitigen oder hochdruckseitigen Druckdifferenz (Drosselstelle/Meßblende (variabel oder nicht variabel)) auf der Saugseite oder Hochdruckseite des Verdichters).
In den 10 bis 13 sind abschließend noch Weiterführungen der qualitativen Darstellungen der 6 und der 7 gegeben, wobei in den 10 und 11 ein drehzahlunabhängiges Triebwerk dargestellt ist, und in 12 und 13 ein Triebwerk dargestellt ist, das analog zu 7 ein Abregeln bei ansteigender Drehzahl favorisiert. Es wird gezeigt, daß bei unveränderter Momentenbilanz (Verhältnis M_SW und M_K,ges aus 6 und 7) eine massenstrom-, druck- oder drehzahlabhängige Drosselung auf der Saugseite (Ausbildung von P_V1* gegenüber P_V1) eine weitere Separation der Kennlinien bewirkt.
Zusammenfassend sei nochmals festgehalten, daß die Drosselung des Saugdrucks bzw. des Kältemittelstroms einen Abregeleffekt erzeugt, der sich in erster Linie nicht aus einer Absenkung der Saugdichte, sondern aus der direkten Nutzung der anfallenden Druckdifferenz an der Drossel zur Hubvolumenverstellung ergibt. Durch Verstellen der Drossel ergibt sich eine Verstellung der an der Drossel anfallenden Druckdifferenz und damit eine Verstellung des Hubvolumens. Ferner führt eine Veränderung des Volumenstroms zu einer Änderung der anfallenden Druckdifferenz und damit zu einem Nachregeln des Hubvolumens.
Ferner läßt festhalten, daß die Vorteile der Erfindung u.a. darin liegen, daß der Schwenkscheibenverdichter

• auf Drehzahlschwankungen durch den Riementrieb wenig sensitiv bzw. kaum reagiert (Triebwerk)
• die Verluste durch die Regeleingriffe zwischen den Drucklagen Saugdruck, Hochdruck, Triebwerksraumdruck vermindert werden
• die Regelgeschwindigkeit verbessert ist
• den Kältemittelmassenstrom in weitem Drehzahlbereich konstant gehalten werden kann, bzw.
• der Kältemittelmassenstrom bei hohen Drehzahlen limitiert werden kann.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit fester Merkmalskombination beschrieben wird, umfaßt sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen dieser Merkmale, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Gehäuse
2: Zylinderblock
3: Zylinderkopf
4: Kolben
5: Riemenscheibe
6: Antriebswelle
7: Schwenkscheibe
8: Gleitstein
8': Triebwerksraum
9: Sauggaskanal
10: Sauggaseinlaß
11: Sauggaskammer
12: Auslaß- bzw. Druckgaskammer
13: Stellkolben
14: Feder
15: Stellschraube
16: externes Signal
17: Regeleinrichtung
101: Verdichter
102: Gaskühler/Verflüssiger
103: Expansionsorgan
104: Verdampfer
105: Regelstrecke

Claims

Verdichter, insbesondere Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse (1) und einer in dem Gehäuse (1) angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit durch den in einer im wesentlichen durch das Gehäuse (1) begrenzten Triebwerkskammer vorherrschenden Druck (P_C) geregelt ist, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Regeleinrichtung (17) für den sauggasseitigen Kältemittelmassenstrom bzw. den Saugdruck bzw. die Saugdichte.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (17) eine Drosselstelle mit einem Stellglied (13), insbesondere in Form eines Drosselventils oder einer Drosselklappe oder einen Druckminderer umfaßt.
Verdichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (13) der Regeleinrichtung drehzahlabhängig den Kältemittelmassenstrom bzw. Saugdruck einstellt.
Verdichter nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle einen dem Stellglied (13) zugeordneten Anschlag für eine Stellung minimalen Strömungsquerschnitts aufweist derart, daß auch bei sehr hohen Dreh zahlen ein vorbestimmter minimaler Kältemittelmassenstrom bzw. Saugdruck gewährleistet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Stellkolben (13), insbesondere in Form eines Stufenkolbens ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock (2) axial hin- und herlaufende Kolben (4) und eine die Kolben (4) antreibende, mit der Antriebswelle (6) drehende Schwenkscheibe (7), insbesondere Schräg- oder Taumelscheibe bzw. Schwenkring umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe (7) durch die Interaktion des Drucks in einem im wesentlichen die Schwenkscheibe aufnehmenden Triebwerksraum (8') einerseits und des Kältemittelmassenstroms auf der Saugseite bzw. des Saugdrucks andererseits bestimmt ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (17) von außerhalb des Verdichters betätigbar bzw. ansteuerbar ist, insbesondere durch eine Magnetspule oder dgl. Vorrichtung.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (17) einen sauggasseitigen Ölabscheider umfaßt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (17) selbstregulierend ist, insbesondere abhängig von der Differenz der Drücke an der Auslaß- bzw. Hochdruckseite einerseits und der Einlaß- bzw. Saugdruckseite des Verdichters andererseits.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Momentenverteilung der rotatorisch und der translatorisch bewegten Bauteile des Verdichters derart ausgeprägt ist, daß bei einer Erhöhung der Verdichterdreh zahl der Kippwinkel der Schwenkscheibe (7) im wesentlichen gleich bleibt oder abnimmt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung in einem sich vornehmlich in einem Zylinderkopf (2) erstreckenden Sauggaskanal (9) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (17) Mittel zum Messen des Kältemittelmassenstroms und/oder des Druckes im Sauggaskanal (9) an einer Seite oder beidseitig der Drosselstelle und/oder der Drehzahl des Verdichters und/oder des diesen antreibenden Motors und/oder eines verdichterausgangsseitigen Druckes umfaßt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (13) der Regeleinrichtung (17) gegen die Kraft eines elastischen Elementes, insbesondere gegen die Kraft einer Feder (14) wirkt.
Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft des elastischen Elementes bzw. die Vorspannung, die das elastische Element auf das Stellglied (13) ausübt, insbesondere durch eine Stellschraube (15) einstellbar ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (13) zwischen Druckgas- und Sauggasseite angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine Drosselstelle mit konstantem Querschnitt umfasst.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine bzw. die Saugleitung und/oder eine Verbindung zwischen dem Verdichter und einem Verdampfer Bestandteil der Regeleinrichtung sind.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Seiten der Regeleinrichtung eine Druckdifferenz von etwa 1 bar bei einer Verdichterdrehzahl von etwa 600 U/min und/oder von etwa 10 bar bei etwa 8000 U/min vorliegt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung bzw. Drosselstelle eine Rohrleitung mit einem Rohrquerschnitt von etwa 8 bis 10 mm umfaßt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 16 bis Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel CO₂ Verwendung findet.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Moment infolge der rotatorisch bewegten Bauteile des Verdichters M_sw im wesentlichen gleich groß ist wie ein Moment M_k,ges aufgrund der translatorisch bewegten Bauteile des Verdichters.