DE102007028060A1

DE102007028060A1 - Fahrzeugklimaanlage mit einem ausschließlich über einen Elektromotor angetriebenen Verdichter

Info

Publication number: DE102007028060A1
Application number: DE102007028060A
Authority: DE
Inventors: Marian Culik
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem ausschließlich über einen Elektromotor angetriebenen Verdichter. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verdichter und der Elektromotor über eine Fliehkraftkupplung, die eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle aufweist, in Verbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem ausschließlich über einen Elektromotor angetriebenen Verdichter.
Fahrzeugklimaanlagen werden in mobilen Einheiten verschiedenster Art verwendetet, wobei hier und im Folgenden der Begriff "mobile Einheit" Fahrzeuge mit Fahrgastzelle (zum Beispiel Autos, Busse, Lastwagen, Boote, Eisenbahnwaggons und Personenaufzüge) sowie Personencontainer umfasst. Eine Fahrzeugklimaanlage hat die Aufgabe, im Personenraum der mobilen Einheit Luft mit für Menschen angenehmen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Die Eigenschaften umfassen Größen wie Temperatur, Luftfeuchte und Staubgehalt, aber die Aufgabe einer einzelnen Klimaanlage kann sich auf einen einzigen dieser Aspekte oder auf einen Teilaspekt, wie zum Beispiel die Kühlung von Luft, beschränken.
Eine Kühlung von Luft kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden. Das für die Kühlung von Fahrgastzellen am häufigsten verwendete Verfahren beruht auf einer Verdichtung eines als Kühlfluid bezeichneten Gases (zum Beispiel Luft oder Fluorkohlenwasserstoff oder Kohlendioxid) und der dadurch verursachten Abgabe von Entropie (Wärme) an die Umgebung des Gases. Nach Abgabe der Entropie wird eine Ausdehnung des verdichteten Gases herbeigeführt, wodurch sich das Gas auf eine Temperatur abkühlt, die niedriger ist als seine Temperatur vor der Verdichtung.
Eine Verdichtung eines Gases kann durch verschiedene Typen von Verdichtern erreicht werden. Man unterscheidet sogennante offene und hermetische Verdichter. Ein hermetischer Verdichter umfasst neben dem eigentlichen Verdichter einen Motor zum Antrieb des Verdichters sowie ein "hermetisches" Gehäuse, das den Verdichter und den Motor umschließt. Ein offener Verdichter hingegen wird über einen zusätzlichen Motor angetrieben.
Im Folgenden soll unter dem Begriff "Verdichter" insbesondere ein offener Verdichter verstanden werden, das heißt, eine Verdichtungsvorrichtung zum Verdichten eines Gases, die nur in Kombination mit einem externen Antrieb funktionsfähig ist.
Der Stand der Technik kennt verschiedene Verdichtertypen, wie zum Beispiel Taumelscheibenverdichter und Scrollverdichter, sowie verschiedene Antriebstypen, insbesondere brennstoffbetriebene Motoren und Elektromotoren, die entweder direkt oder über Kupplungen und/oder Antriebsriemen mechanisch mit dem anzutreibenden Verdichter verbunden sind.
Bei einer direkten starren Anbindung eines Verdichters an einen Elektromotor ist es üblich, die Leistung des Motors elektronisch zu steuern, insbesondere, um die elektrische Stromstärke beim Anlaufen des Motors zu begrenzen.
Eine andere Variante zum Antrieb eines Verdichters durch einen Elektromotor besteht darin, eine Welle des Motors und eine Welle des Verdichters über Antriebsriemen derart zu verbinden, dass die Rotationsgeschwindigkeiten der Wellen unterschiedlich sind. Ein Anfahren des Verdichters bei schwacher Motorleistung kann erleichtert werden, indem die Rotationsübersetzung so gewählt wird, dass die Welle des Motors eine höhere Drehzahl als die Welle des Verdichters hat.
Die DE 197 38 250 A1 offenbart eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit Verdichtereinheit, bei der ein Verdichter wahlweise über ein Kraftfahrzeugantriebsaggregat oder über einen Elektromotor angetrieben werden kann, wobei die Aufgabe des Kraftfahrzeugantriebsaggregat im Wesentlichen der Antrieb des gesamten Fahrzeugs ist und der Elektromotor auch als Generator zum Erzeugen elektrischer Energie genutzt werden kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichter mit dem Elektromotor über eine mechanische Kupplung verbunden, deren Hauptaufgabe ist, den Elektromotor vom Verdichter zu trennen, wenn der Verdichter nicht über den Elektromotor, sondern über das Kraftfahrzeugantriebsaggregat betrieben werden soll. Eine derartige Kupplung ist jedoch nicht in Hinblick auf den Ankupplungsvorgang optimiert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fahrzeugklimaanlage mit einem ausschließlich über einen Elektromotor angetriebenen Verdichter zu schaffen, die hohe elektrische Stromstärken beim Anfahren des Elektromotors vermeidet, robust und kompakt gehalten ist und ohne elektronische Regelung auskommt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Verdichter und der Elektromotor über eine Fliehkraftkupplung, die eine Antriebwelle und eine Abtriebwelle aufweist, in Verbindung stehen. Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Verwendung einer Fliehkraftkupplung als Zwischenglied zwischen dem Elektromotor und dem Verdichter ein sanftes automatisches Ankuppeln und Entkuppeln in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebwelle und der Abtriebwelle ermöglicht. Dies geschieht dadurch, dass bei Stillstand des Elektromotors der Verdichter vom Elektromotor zunächst entkuppelt ist und beim Anfahren ein Reibungskontakt zwischen dem Elektromotor und dem Verdichter graduell verstärkt wird, der Verdichter also sanft an eine sich drehende Welle des Elektromotors angekuppelt wird. Weiter kommt eine Fliehkraftkupplung ohne elektronische Steuerung und ohne Stromversorgung aus, was die Konstruktionskosten und den Verkabelungsaufwand im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Die erfindungsgemäße Lösung hebt sich von der DE 197 38 250 A1 insbesondere dadurch ab, dass die durch die Fliehkraftkupplung ermöglichten Ankupplungs- beziehungsweise Abkupplungsvorgänge sanft und automatisch verlaufen. Insbesondere bei einem Verdichter mit großem Trägheitsmoment (großer Schwungmasse) wirkt sich die Fliehkraftkupplung im Vergleich zu einer ebenfalls denkbaren drehfesten Direktverbindung zwischen dem Elektromotor und dem Verdichter insofern vorteilhaft aus, als sie die Rotationsbeschleunigung des Verdichters beim Anlaufen des Elektromotors begrenzt und daher der Elektromotor ein geringeres Drehmoment erzeugen muss, so dass er eine geringere Anlaufstromstärke in Anspruch nimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage weist der Elektromotor eine Motorwelle auf, die drehfest mit der Antriebwelle der Fliehkraftkupplung verbunden ist und mit ihr eine gemeinsame erste Achse definiert. Bei dieser Ausführungsform wird die Motorwelle also direkt auf die Antriebwelle der Fliehkraftkupplung geführt, wodurch insbesondere eine Drehimpulsübertragung durch Riemen vermieden wird. Eine derartige Konstruktion ist besonders robust und platzsparend.
Ebenso wird bevorzugt, dass der Verdichter eine Verdichterwelle aufweist, die drehfest mit der Abtriebwelle der Fliehkraftkupplung verbunden ist und mit ihr eine gemeinsame zweite Achse definiert. Auch hierbei wird eine Verwendung von Riemen oder anderer Vorrichtungen zur Drehimpulsübertragung vermieden.
In diesem Zusammenhang wird als besonders bevorzugt erachtet, dass die erste und die zweite Achse identisch sind. Eine sol che axiale Anordnung zeichnet sich durch ihre geometrische Einfachheit aus und ermöglicht die Verwendung serienmäßig hergestellter Fliehkraftkupplungen, bei denen die Antriebwelle und die Abtriebwelle eine gemeinsame Achse definieren.
Nützlicherweise ist der Elektromotor ein Bürstenmotor oder ein Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung, da diese Motortypen besonders einfach aufgebaut und entsprechend preiswert sein können.
Weiter wird als vorteilhaft erachtet, dass die Versorgungsspannung des Elektromotors 12 V oder 24 V beträgt, da somit in Fahrzeugen standardmäßig zur Verfügung stehende Spannungsanschlüsse ohne Spannungstransformation verwendet werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung/Drehzahl des Elektromotors nur über ein Einschalt-Ausschalt-Relais gesteuert werden kann. Im Vergleich zu ebenfalls möglichen, komplizierteren Steuerungsmöglichkeiten wird durch diese sehr einfache Ansteuerung der Verkabelungsaufwand reduziert, und es ist nicht erforderlich, komplexe und teure Ansteuerungsvorrichtungen, etwa elektronischer Art, installieren zu müssen.
In diesem Zusammenhang kann es wünschenswert sein, dass das Einschalt-Ausschalt-Relais durch einen Temperaturschalter gesteuert wird. Auf diese Weise kann die Klimaanlage automatisch eingeschaltet werden, sobald die Temperatur an einer definierten Stelle im Personenraum einen kritischen ersten Temperaturschwellenwert unterschreitet, und sie kann automa tisch ausgeschaltet werden, sobald die Temperatur an der genannten Stelle einen kritischen zweiten Temperaturschwellenwert überschreitet.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht der für die Erfindung wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Klimaanlage.
1 zeigt einen Verdichter 20 und einen Elektromotor 30, die Komponenten einer Fahrzeugklimaanlage 10 sind. Der Verdichter weist eine Eingangsöffnung 24 zur Aufnahme eines Kühlfluids in nicht verdichtetem Zustand und eine Ausgangsöffnung 26 zur Abgabe des Kühlfluids in verdichtetem Zustand auf. Der Verdichter 20 und der Elektromotor 30 stehen über eine Fliehkraftkupplung 40 miteinander in Verbindung. Die Fliehkraftkupplung 40 umfasst eine Kupplungsbacke 42 mit einer Antriebwelle 44. Die Fliehkraftkupplung 40 umfasst weiter eine Kupplungsglocke 46 mit einer Abtriebwelle 48. Die Kupplungsbacke 42 ist drehfest mit der Antriebwelle 44 verbunden, während die Kupplungsglocke 46 drehfest mit der Abtriebwelle 48 verbunden ist. Die Antriebwelle 44 ist weiter drehfest mit einer Motorwelle 32 des Elektromotors 30 verbunden. Die Abtriebwelle 48 ist drehfest mit einer Verdichterwelle 22 des Verdichters 20 verbunden ist. Die Fliehkraftkupplung 40 ist so ausgelegt, dass kein Reibungskontakt zwischen der Kupp lungsbacke (den Kupplungsbacken) 42 und der Kupplungsglocke 46 besteht, solange sich die Antriebwelle 44 nicht dreht. Dreht sich hingegen die Antriebwelle 44, so bewirken im Inneren der Kupplung 40 angeordnete, durch die Zentrifugalkraft radial nach außen strebende Massestücke (nicht dargestellt), dass die Kupplungsbacke (Kupplungsbacken) 42 an die Kupplungsglocke 46 gedrückt wird (werden), wodurch ein Reibungskontakt zwischen der Kupplungsbacke 42 und der Kupplungsglocke 46 erzeugt wird. Damit wird die Kupplung 40 drehimpulsleitfähig, wobei das maximale von der Antriebwelle 44 auf die Abtriebwelle 48 übertragbare Drehmoment von der Drehgeschwindigkeit (Drehzahl) der Antriebwelle 44 abhängt. Somit wird automatisch das vom Elektromotor 30 erzeugte Drehmoment und damit die von ihm geforderte Stromstärke begrenzt. Bei der gezeigten Ausführungsform definieren die Antriebwelle 44 der Fliehkraftkupplung 40 und die Motorwelle 32 eine gemeinsame erste Achse A1, die mit einer von der Abtriebwelle 48 und der Verdichterwelle 22 definierten zweiten Achse A2 übereinstimmt. Jedoch sind auch andere Geometrien denkbar, da Fliehkraftkupplungen mit nicht auf einer gemeinsamen Achse angeordneter Antriebwelle und Abtriebwelle technisch realisierbar sind. Der Elektromotor 30 ist über eine Versorgungsleitung 36 elektrisch an eine Gleichspannungsquelle 34 angeschlossen, die eine Gleichspannung von 12 V oder 24 V zur Verfügung stellt. Die Versorgungsleitung 36 weist ein Einschalt-Ausschalt-Relais 50 zum Schließen und zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 36 auf, das mit einem Temperaturschalter 52 funktionsfähig verbunden ist. Der Temperaturschalter 52 ist so ausgelegt, dass er über das Einschalt-Ausschalt-Relais 50 den Elektromotor 30 in Abhängigkeit von einer gemessenen Ist-Temperatur und einer vorgegebenen Soll-Temperatur einschaltet oder ausschaltet.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Fahrzeugklimaanlage
20: Verdichter
22: Verdichterwelle
24: Eingangsöffnung
26: Ausgangsöffnung
30: Elektromotor
32: Motorwelle
34: Spannungsquelle
36: Versorgungsleitung
40: Fliehkraftkupplung
42: Kupplungsbacke
44: Antriebwelle
48: Abtriebwelle
50: Einschalt-Ausschalt-Relais
52: Temperaturschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19738250 A1 [0009, 0013]

Claims

Fahrzeugklimaanlage (10) mit einem ausschließlich über einen Elektromotor (30) angetriebenen Verdichter (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (20) und der Elektromotor (30) über eine Fliehkraftkupplung (40), die eine Antriebwelle (44) und eine Abtriebwelle (48) aufweist, miteinander in Verbindung stehen.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (30) eine Motorwelle (32) aufweist, die drehfest mit der Antriebwelle (44) der Fliehkraftkupplung (40) verbunden ist und mit ihr eine gemeinsame erste Achse (A1) definiert.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (20) eine Verdichterwelle (22) aufweist, die drehfest mit der Abtriebwelle (48) der Fliehkraftkupplung (40) verbunden ist und mit ihr eine gemeinsame zweite Achse (A2) definiert.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (A1) und die zweite Achse (A2) identisch sind.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (30) ein Bürstenmotor oder ein Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung ist.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung des Elektromotors (30) 12 V oder 24 V beträgt.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung/Drehzahl des Elektromotors (30) nur über ein Einschaltrelais (50) gesteuert werden kann.
Fahrzeugklimaanlage (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltrelais (50) durch einen Temperaturschalter (52) gesteuert wird.