DE102008008355A1

DE102008008355A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102008008355A1
Application number: DE102008008355A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Dr. Hesse; Oliver Tschismar
Original assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-13

Abstract

Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter, weiterhin insbesondere Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem im Wesentlichen durch ein Gehäuse definierten Triebwerksraum, in welchem eine Schwenkscheibe, insbesondere Schwenkring (3), angeordnet ist, welcher mit wenigstens einem in einem Zylinderblock hin- und herbewegbaren Kolben in Wirkeingriff steht, wobei zwischen Triebwerksraum und einer Sauggasseite des Verdichters eine Fluidverbindung (16) angeordnet ist, wobei die Summe der Momente des Triebwerks und die Anordnung der Fluidverbindung (16) derart ausgebildet sind, dass ein vom Verdichter geförderter Kältemittelmassenstrom ab einer vorbestimmten Drehzahl des Verdichters im Wesentlichen konstant bleibt oder abnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere regelbaren Kältemittelverdichter für die Fahrzeugklimatisierung mit weiterhin insbesondere einem Massenstrom begrenzenden Verhalten bei Drehzahlanstieg bzw. bei Massenstrom kompensierendem Verhalten bei Drehzahländerung im Teillastbetrieb (Kompensation von Massenstromschwankungen) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der EP 0 809 027 A1 ist ein Verdichtertriebwerk bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fördermenge des Verdichters durch das dynamische Verhalten eines Triebwerks des Verdichters kompensiert wird, so dass die Fördermenge konstant gehalten werden kann. Hierbei handelt es sich jedoch vor allem um die Formulierung eines Zieles, da in der entsprechenden Textpassage der EP 0 809 027 geschrieben steht: „Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehgeschwindigkeiten kann das rückstellende Drehmoment der Taumelscheibe ausgenutzt werden, das ihrer Schrägstellung aufgrund dynamischer Kräfte mit drehenden Scheiben entgegenwirkt".
Auf der EP 0 809 027 aufbauend sind aus der DE 198 399 14 A1 Maßnahmen bekannt, wie ein solches Regelverhalten (zumindest teilweise Kompensation der Fördermenge) erricht werden kann. Es wird in der vorstehend zitierten Druckschrift vorgeschlagen, die Bauteilmasse der Schräg- bzw. Schwenkscheibe im Hinblick auf die translatorisch bewegten Massen so zu dimensionieren, dass die Fliehkräfte der Schräg- bzw. Schwenkscheibe das Regelverhalten derselben beeinflussen. Der Hauptanspruch dieser Patentanmeldung ist wie folgt formuliert: „Axialkolbenmaschine, ... dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Masse der Antriebsscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils der Antriebsscheibe größer ist als die gemeinsame Masse aller Kolben, so dass die beim Drehen der Antriebsscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Antriebsscheibe bewusst regelnd entgegen zu wirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen".
In der auf die Anmelderin zurückgehenden DE 103 29 393 wird jedoch dargelegt, warum die Bauteilmasse nicht der bevorzugte Parameter sein sollte, um das Regelverhalten des Triebwerks infolge von Drehzahlschwankungen wie gewünscht zu beeinflussen. Das gewünschte Regelverhalten des Verdichters wird nämlich nicht durch die Bauteilmasse der Schräg- bzw. Schwenkscheibe in Relation zu den translatorisch bewegten Massen erreicht (vgl. hierzu DE 198 399 14 A1 ), sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheitsmoments der Schwenkscheibe, welches mehr von deren Geometrie abhängt als von ihrer Bauteilmasse.
Ein Kerngedanke der DE 103 29 393 ist es, bei Drehzahlschwankungen oder Änderungen der Drehzahl das Moment in Folge der translatorisch bewegten Massen direkt durch das Moment infolge rotatorisch bewegter Massen zu kompensieren oder auch zu überkompensieren.
In der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden DE 103 47 709 A1 wird vorgeschlagen, die wirksamen Momente infolge der Massenkräfte und die Momente infolge der Deviationsmomente so abzustimmen, dass sich der Schwenkscheibenkipp- bzw. Auslenkwinkel bei wechselnden Drehzahlen weitgehend nicht ändert. Im weiteren ist in der DE 103 47 709 erstmals erkannt, dass ein optimales Triebwerksverhalten durch eine derartige Momentenverteilung gegeben ist, um so den Massenstrom eines Kältemittelverdichters optimal regeln zu können.
In der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden, zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Patentanmeldung nicht veröffentlichten DE 10 2005 007 849.4-15 wird vorgeschlagen, ein Triebwerk zu verwenden, welches von der Auslegung des Triebwerkes her der DE 103 47 709 folgt. Um eine Kompensation der Veränderung des Kältemittelmassenstroms zu erreichen, wird vorgeschlagen, saugseitig ein Vorsteuerventil bzw. eine Drosselstelle einzusetzen.
Erläuterungen zur Regelung eines Verdichters sind z. B. auch der DE 195 14 748 zu entnehmen. Ein darin beschriebener Verdichter stellt im Betrieb ein Sauggasdruckniveau sowie ein Hochdruckniveau bereit. Ebenso weist die Klimaanlage (Kreislauf) diese Drucklagen auf. Dieses wird z. B. durch ein Expansionsorgan eingestellt. Das Expansionsorgan wiederum reagiert auf Änderungen des Betriebszustandes des Verdichters und greift gegebenenfalls regelnd ein. Im Verdichtertriebwerksraum wird z. B. durch Regelventile am Verdichter ein Druck eingestellt, der zwischen dem Sauggasdruckniveau und dem Hochdruckniveau liegt. Der Triebwerksraumdruck greift in das Kräftegleichgewicht/das Momentengleichgewicht an der Schwenkscheibe derart ein, dass der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe verstellt werden kann. Wird der Druck im Triebwerksraum dem Saugdruck angenähert, so wird die Schwenkscheibe auf maximalen Auslenkwinkel verstellt. Wird der Triebwerksraumdruck deutlich über dem Saugdruck eingestellt, so wird die Schwenkscheibe auf minimalen Auslenkwinkel verstellt. Die Regelung erfolgt durch die möglichen Volumenströme zwischen den einzelnen Kammern bzw. Drucklagen. Das hier beschriebene Modell ist natürlich nur sehr vereinfacht dargestellt worden und als beispielhaft anzusehen.
Da sich beim Betrieb des Verdichters bzw. beim Betrieb des Fahrzeugs nahezu permanent die Drehzahl ändert (Motor und Riementrieb), sind bei Verdichtern nach dem Stand der Technik permanent Regeleingriffe notwendig (Variation des Triebwerksraumdrucks). Da der Triebwerksraum ein vergleichsweise großes Volumen bereitstellt, ist die Regelung durch eine entsprechende Anpassung des Triebwerksraumdrucks träge und es kommt zu starker Überschwingen.
Durch die Triebwerkskonzeptionen gemäß der EP 0 809 027 A1 , der DE 198 39 914 A1 und der DE 103 29 393 sind Verhalten von Triebwerken bekannt, bei denen dem Anstieg des Massenstromes (z. B. infolge eines Drehzahlanstiegs) dadurch begegnet wird, dass sich der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe verkleinert. Es wird vorgeschlagen, dies durch eine entsprechende Auslegung der Schwenkscheibe zu erreichen (Masse der Schwenkscheibe bzw. Geometrie und Masse der Schwenkscheibe (Massenträgheit)). Damit wird eine Überkompensation der translatorisch bewegten Massen wie beispielsweise Kolben und Gleitsteine bereitgestellt.
Problematisch an dieser Art der Auslegung ist, dass die Masse und Geometrie der Schwenkscheibe vergleichsweise groß dimensioniert werden muss. Dies führt zu einem großen Einbauraum und einem schweren Triebwerk.
Gemäß der DE 103 47 709 A1 werden die translatorisch bewegten Massen kompensiert. Dies heißt, dass bei einem an den Kolben anliegenden Druckverhältnis (saugseitiger Druck und hochdruckseitiger Druck) der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe im wesentlichen nicht geändert wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass eine Veränderung des Massenstromes (verursacht durch eine Veränderung der Drehzahl) nicht kompensiert werden kann, da der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe im wesentlichen nicht durch Veränderung darauf reagiert.
In der Anmeldung DE 10 2005 007 849.4-15 wird ein Vorsteuerventil bzw. eine Drosselstelle vorgeschlagen, die für eine Absenkung der Kältemitteldichte an der Saugseite sorgt. Dadurch wird drehzahl- bzw. massenstromabhängig der „Betriebszustand" an der Saugseite derart verändert, dass das Regelverhalten bereichsweise eine Kompensation von Veränderungen des Massenstromes bereitstellen kann. Nachteilig an der Sauggasdrosselung ist, dass größere Leistungsverluste zu verzeichnen sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdichter, insbesondere Schwenkscheibenverdichter mit veränderlichem Kolbenhub für die Fahrzeugklimaanwendung bereitzustellen,

– der bei Drehzahlanstieg durch den Riementrieb ab einer Grenzdrehzahl ein Massenstrom begrenzendes Verhalten zeigt, und das Hubvolumen reduziert,
– der den Kältemittelmassenstrom oberhalb einer Grenzdrehzahl in weitem Drehzahlbereich konstant halten kann, und somit das Hubvolumen reduziert,
– bei dem die Grenzdrehzahl variabel ist und eine maximale Grenzdrehzahl aufweist,
– der oberhalb einer maximalen Grenzdrehzahl einen nahezu konstanten Massenstrom bereitstellt, der im wesentlichen nicht durch einen Regeleingriff des Ventils kompensiert werden muss,
– eine einfache Regelventilkonfiguration einsetzen kann (was zu niedrigen Kosten führt).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach ist es ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung, dass die Summe der Momente eines Triebswerks eines erfindungsgemäßen Verdichters und die Anordnung einer Fluidverbindung, welche zwischen Triebwerksraum und einer Sauggasseite des Verdichters angeordnet ist, derart ausgebildet sind bzw. in Wirkeingriff stehen bzw. miteinander verquickt sind, dass ein vom Verdichter geförderter Kältemittelmassenstrom ab einer vorbestimmten Drehzahl des Verdichters im wesentlichen konstant bleibt oder abnimmt. Zu der besagten Momentensumme tragen insbesondere die Momente translatorisch bewegter Massen und rotatorisch bewegter Massen und/oder die Momente aufgrund einer Federrate eines elastischen Moments, mit welchem die Schwenkscheibe in Wirkeingriff steht, bei. Dadurch ist eine wunschgemäße Regelung bzw. Kältemittelmassenförderung hergestellt. Die vorbestimmte Drehzahl beträgt vorzugsweise zwischen 2000 und 5000 U/min, insbesondere jedoch zwischen 2500 und 4000 U/min. In diesem Drehzahlbereich ist es am günstigsten, wenn der Verdichter seine Förderleistung konstant regelt bzw. für höhere Umdrehungen ggf. konstant regelt oder abregelt. Die Aufgabenstellung wird ferner von einem Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 3 sowohl in Kombination mit den Merkmalen des Anspruchs 1, als auch ohne die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei einem gemäß Anspruch 3 ausgebildeten Verdichter endet die Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite auf der Sauggasseite an der Stelle, an der der höchste Druck auf der Sauggasseite vorherrscht. Insbesondere endet die Fluidverbindung bevorzugt an einem Sauggasanschluss. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Fluidverbindung vorzugsweise an der Stelle höchsten Saugdruckes endet, welche vor eventuellen Drosselstellen oder Ventilen bzw. anderen ggf. druckmindernd wirkenden Einrichtungen und/oder Geometrien auf der Sauggasseite angebracht sind. Dies heißt in anderen Worten gesagt, dass es sich bei der zitierten Stelle höchsten Druckes um eine Stelle eines lokal höchsten Druckes handelt. Der absolut höchste Druck im Sauggassystem mag beispielsweise im Sauggasanschluss oder in einem anderweitigen Bereich des Saugsystems vorliegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Verdichter eine zweite Fluidverbindung auf, welche zwischen dem Triebwerksraum und der Hochdruckseite insbesondere einer Hochdruckkammer, welche in einer bevorzugten Ausführungsform ringförmig am Zylinderkopf des Verdichters angeordnet sein kann. Dadurch ist eine einfache Regelung des Triebwerksraumdrucks gewährleistet. Bei Bedarf kann von der Hochdruckseite unter Druck stehendes Kältemittel dem Triebwerksraum zugeführt werden, welches durch die Fluidverbindung zur Sauggasseite bei Bedarf oder auch stetig abgelassen werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verdichters ist vor, in oder nach der Fluidverbindung zwischen dem Triebwerksraum und der Sauggasseite und/oder vor bzw. in bzw. nach der zweiten Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Hochdruckseite eine beispielsweise regelbare Drosselstelle, d. h. also eine Drosselstelle, welche beispielsweise einen verstellbaren Querschnitt hat und/oder eine Absperrvorrichtung, welche beispielsweise in Form eines Ventils vorliegen kann, angeordnet.
Beide Fluidverbindungen, d. h. also sowohl die Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite als auch die zweite Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Hochdruckseite können in Form einer Bohrung vorliegen. Dabei handelt es sich um eine leicht herzustellende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters.
Das sauggasseitige Ende der Fluidverbindung ist optional axial gleich ausgerichtet wie der Sauggasanschluss, d. h. also, dass die Mittelachse der Fluidverbindung (in axialer Richtung gesehen) parallel zu der in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse des Sauggasanschlusses bzw. des Sauganschlusses verläuft. Dies führt mit dazu, dass zwischen dem im Sauggasanschluss herrschenden Druck (in der Folge P_S genannt) und einem Druck, welcher im Zylinderraum beim Ansaugen vorherrscht (in der Folge P_S* genannt) eine gewünschte Differenz auftritt, d. h. also, dass die zwischen Sauganschluss und Zylinder befindlichen Elemente wie beispielsweise Sauglamellen und dergl. eine vorbestimmte Drosselung des Sauggasstromes und somit eine Drosselung der Förderleistung mit sich bringen. Auch dies trägt bei hohen Drehzahlen des Verdichters zu einem abregelnden bzw. konstant fördernden Verhalten bei.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in Explosionsdarstellung;
2 eine schematische Darstellung zur Herleitung der Momentenverteilung in einem erfindungsgemäßen Verdichter;
3 die Verteilung der verschiedenen Momente des erfindungsgemäßen Verdichters über dem Auslenk- bzw. Kippwinkel der Schwenkscheibe des erfindungsgemäßen Verdichters;
4 eine Darstellung des Druckes im Triebwerksraum über dem geometrischen Fördervolumen (bzw. Hub, Auslenkwinkel) eines erfindungsgemäßen Verdichters;
5 eine Darstellung des geometrischen Fördervolumens über dem Differenzdruck; und
6 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters, welche insbesondere eine Fluidverbindung zwischen einem Triebwerksraum und einer Sauggasseite des erfindungsgemäßen Verdichters darstellt.
In 1 ist ein Schwenkscheibenmechanismus 1 der bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters dargestellt. Die bevorzugte Ausführungsform umfasst (nicht in den Zeichnungen dargestellt) ein Gehäuse, einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf. Im Zylinderblock sind Kolben axial hin- und herbewegbar gelagert. Der Antrieb des Verdichters erfolgt über eine Riemenscheibe mittels einer Antriebswelle 2. Bei dem hier beschriebenen Verdichter handelt es sich um einen Verdichter mit variablem Kolbenhub, wobei der Kolbenhub im Wesentlichen durch ein Verhältnis des Drucks auf der Hochdruckseite und in einem Triebwerksraum des Verdichters geregelt wird. Je nach den herrschenden Druckverhältnissen wird eine Schwenkscheibe in Form eines Schwenkrings 3 mehr oder weniger aus ihrer bzw. seiner vertikalen Lage ausgelenkt bzw. verschwenkt. Je größer der daraus resultierende Schwenkwinkel bzw. Auslenkwinkel ist, desto größer ist der Kolbenhub und dementsprechend wird ein um so höherer Druck an einer Auslaßseite des Verdichters bereitgestellt.
Aus 1 ist ersichtlich, dass der Schwenkscheibenmechanismus der bevorzugten Ausführungsform die Antriebswelle 2, den Schwenkring 3, eine Schiebehülse 4, die auf der Antriebswelle 2 axial an einem elastischen Elemente in Form einer ring- bzw. schneckenförmigen Feder 5 (Schraubenfeder) gelagert ist, sowie ein Stützelement 6 und ein Kraftübertragungselement 7 umfasst. Das Stützelement 6 ist radial verschiebbar am Kraftübertragungselement 7 angelenkt. Das Stützelement 6 ist zylinderbolzenförmig ausgebildet und weist eine Aussparung 8 auf, mittels derer das Stützelement 6 mit dem Kraftübertragungselement 7 in Wirkeingriff steht. Dazu ist das dem Stützelement 6 zugewandte Ende bzw. ist der dem Stützelement 6 zugewandte Endbereich des Kraftübertragungselements 7 in Form eines Flachstahls ausgebildet. Dies heißt also, dass der besagte Endbereich des Kraftübertragungselements 7 eine annähernd rechteckförmige Umfangskontur aufweist. Dieser annähernd rechteckförmig ausgebildete Endbereich steht mit der Aussparung 8 des Stützelements 6 in Eingriff. Auf der dem Schwenkring 3 abgewandten Seite ist das Kraftübertragungselement 7 hülsenförmig ausgebildet derart, daß es in zusammengebautem Zustand des Verdichters über die Antriebswelle 2 gestülpt ist.
Die Schiebehülse 4 weist zwei Aussparungen in Form von Bohrungen 9 auf, in welche Antriebsbolzen 10 eingepresst sind. Die Antriebsbolzen 10 sind ferner auf ihrer der Schiebehülse 4 abgewandten Seite bzw. an dem der Schiebehülse 4 abgewandten Ende mit Sprengringen 11 im Schwenkring 3 gesichert. Die Schiebehülse 4 weist weiterhin eine sich in axialer Richtung erstreckende ringförmige Aussparung 12 auf, in welcher das Kraftübertragungselement 7 geführt ist. Die Schiebehülse 4 ist mittels einer Nutmutter (aus den Zeichnungen nicht ersichtlich) auf der Antriebswelle 2 fixiert.
Das Stützelement 5 ist in der Aussparung 13 (Bohrung) im Schwenkring 3 gelagert. Die Aussparung 13 erstreckt sich senkrecht zur Antriebswellenmittelachse, wobei die Sicherung des Stützelements 6 im Schwenkring 3 mittels Sprengringen 14, 15 erfolgt.
Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist der Mechanismus aus Stützelement 6 und Kraftübertragungselement 7 nicht dazu bestimmt, das Drehmoment von der Antriebswelle 2 auf den Schwenkring 3 zu übertragen. Die Lagerstellen zwischen Stützelement 6 und Kraftübertragungselement 7, zwischen Kraftübertragungselement 7 und Antriebswelle 2 und zwischen Stützelement 6 und Schwenkring 3 sind nicht dazu ausgelegt, Drehmoment zu übertragen. Es entfällt demnach eine Art Mitnehmerfunktion für das Stützelement 6 und das Kraftübertragungselement 7. Das ist aus Gründen der Hysterese bewusst so gewählt, d. h. das Verkippen des Schwenkrings 3 und die Drehmomentübertragung werden funktional voneinander entkoppelt. Der Mechanismus aus Kraftübertragungselement 7 und Stützelement 6 nimmt im Wesentlichen die Kolbenkräfte auf. Das Drehmoment wiederum wird von der Antriebswelle 2 an den Schwenkring 3 durch ein auf der Antriebswellenmittelachse bereitgestelltes Kippgelenk (realisiert durch die Antriebsbolzen 10) übertragen. Die das Drehmoment zwischen der Schiebehülse 4 und dem Schwenkring 3 übertragenden Antriebsbolzen 10 sind am Schwenkring wie bereits vorstehend erwähnt mit Sprengringen 11 arretiert bzw. gesichert. Der Schwenkring 3 weist Abflachungen 16 auf, welche zu Abflachungen 17 an der Schiebehülse 4 korrespondierenden. Prinzipiell ist in anderen Ausführungsformen auch denkbar, dass die Schiebehülse 4 entfällt und die Drehmomentübertragung in einer beliebigen Form zwischen Antriebswelle und Schwenkring 3 direkt stattfindet (z. B. über Abflachungen an der Antriebswelle 2 und dem Schwenkring 3).
Durch die Entkopplung der Drehmomentübertragung und der Gaskraftabstützung kann erreicht werden, dass neben der Möglichkeit, das Stützelement 6 und das Kraftübertragungselement 7 entsprechend klein zu dimensionieren, eine optimierte Flächenpressung, insbesondere zwischen Kraftübertragungselement 7 und Stützelement 6 sowie zwischen Stützelement 6 und Schwenkring 3 erreicht werden. Dadurch und durch die erfindungsspezifische Bauweise von Stützelement 6 und Kraftübertragungselement 7 bzw. durch die erfindungsspezifische Anlenkung zwischen Kraftübertragungselement 7 und Stützelement 6 kann eine kompakte Bauform des Verdichters erreicht werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verdichter spielen sowohl die Momente aufgrund translatorisch bewegter Bauelemente desselben als auch die Momente aufgrund rotatorisch bewegter Bauelemente eine wichtige Rolle. Die Momente leiten sich wie folgt her (vgl. 2):
Deviationsmoment

Jyz = –J2 cosψ sinψ + J3 cosψ sinψ

Unabhängig von 5 gilt:
Moment infolge Massenkraft der Kolben

βi = θ ± 2π(i – 1)1n
Zi = R·ω2tanαcosβi
Fmi = mk·zi

Dabei bedeuten die oben verwendeten Größen was folgt:

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
mk: Masse eines Kolbens inklusive Gleitsteine bzw. Gleitsteinpaar
mk,ges: Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine
msw: Masse des Schwenkringes
ra: Außenradius des Schwenkringes
ri: Innenradius des Schwenkringes
h: Höhe des Schwenkringes
ρ: Dichte des Schwenkringes
V: Volumen des Schwenkringes
βi: Winkelposition des Kolbens i
zi: Beschleunigung des Kolbens i
Fmi: Massenkraft des Kolbens i (inklusive einem Gleitsteinpaar)
M(Fmi): Moment infolge der Massenkraft des Kolbens i
Mk,ges: Moment infolge der Massenkraft aller Kolben
Msw: Moment infolge des Aufstellmomentes des Schwenkringes/Schwenkscheibe bzw. infolge des Deviationsmoments (J_yz)
J: = f (ρ, r, h) Massenträgheitsmoment

Wie bereits vorstehend erwähnt, sind bei einem erfindungsgemäßen Verdichter die Summe der Momente des Triebwerks, welche sich insbesondere aus der Summe der Momente der translatorisch bewegten Massen (wie z. B. der Kolben), der rotatorisch bewegten Massen, sowie der Momente, welche durch die Federrate des elastischen Elements bzw. der Schraubenfeder 5 erzeugt werden, und die Anordnung einer Fluidverbindung 16 zwischen dem Triebwerksraum und der Sauggasseite des Verdichters derart ausgestaltet, dass der vom Verdichter geförderte Kältemittelmassenstrom ab einer vorbestimmten Drehzahl des Verdichters im wesentlichen konstant bleibt oder abnimmt. Die vorbestimmte Drehzahl, ab welcher der Verdicher konstant regelt bzw. abregelt, liegt vorzugsweise zwischen 2000 und 5000 U/min, in der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform bei rund 3300 Umdrehungen, wobei der Bereich zwischen 2500 und 4000 U/min besonders bevorzugt ist. Die Fluidverbindung 16 zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite endet saugasseitig im Bereich des Sauggasanschlusses, an einer Stelle, welche lokal den höchsten Druck aufweist. Dabei ist die besagte Stelle lokal höchsten Druckes auf der Sauggasseite vor der Sauggaskammer und vor den Zylindern, nämlich dort angeordnet, wo noch keine Drosselstellen bzw. Engpässe im Verdichter für eine Regulierung des Sauggasniveaus sorgen. Insbesondere durch die im Verdichter angeordneten Sauglamellen auf der Sauggasseite, d. h. also Sauglamellen, welche am Zylinderblock angeordnet sind und den Gaseintritt in denselben regulieren, kann es passieren, dass im Zylinder ein noch höherer Druck vorherrscht.
Der erfindungsgemäße Verdichter weist weiterhin eine zweite Fluidverbindung auf, welche zwischen Triebwerksraum und der Hochdruckseite desselben angeordnet ist, wobei in dieser Fluidverbindung ein Ventil angeordnet ist, welches zur Regelung des Druckes im Triebwerksraum bei Bedarf geöffnet werden kann (wenn Druck in den Triebwerksraum eingeleitet werden soll). In der bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters ist in der Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite kein Ventil angeordnet. Dies ist aber auf jeden Fall auch denkbar. Alternativ zu Ventilen können auch Drosselstellen, beispielsweise Blenden oder dergl. mit festem oder variablem Querschnitt vorliegen, welche am Anfang, in oder am Ende der jeweiligen Fluidverbindung angeordnet sind. Die Fluidverbindungen sind in den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verdichters in Form von Bohrungen ausgestaltet. Das sauggasseitige Ende der Fluidverbindung 16 zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite liegt in der bevorzugten beschriebenen Ausführungsform axial in derselben Richtung wie der Sauggasanschluss des Verdichters. In anderen Worten heißt dies, dass sich die Mittelachse der Fluidverbindung 16 bzw. genauer gesagt die Mittelachse des Endstückes der Fluidverbindung 16 parallel zur in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse des Sauggasanschlusses verläuft.
Für die Auslegung der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters wird das Kippmoment M_SW infolge des Deviationsmomentes J_YZ des Schwenkrings 3 zu den translatorisch bewegten Massen bzw. dem dadurch erzeugten Moment M_Kges ins Verhältnis gesetzt. Neben dem Einfluss der Drehzahl der Antriebswelle sind noch geometrische Größen enthalten, die in bestimmten Zusammenhängen zueinander stehen und grundsätzlich inklusive der Bauteildichten und Dichteverteilungen so gewählt werden müssen bzw. können, dass die Summe der Momente infolge der Massenkräfte gleich Null ist. Hierzu ist in 3 das Momentgleichgewicht M_SW ~ M_Kges qualitativ dargestellt. Darüber hinaus können natürlich die Momente M_SW und M_Kges durch entsprechende Triebwerksauslegungen so eingestellt werden, dass sich neben einem Triebwerk mit neutralem Verhalten, wie dieses in 3 dargestellt ist, ein Triebwerk mit aufregelndem Verhalten bzw. ein Triebwerk mit abregelndem Verhalten ergibt. Die Momente M_SW und M_Kges bzw. deren Verhältnis zueinander ist lediglich dementsprechend vorzusehen.
In 4 ist die Kippcharakteristik bzw. die Auslenkcharakteristik dargestellt, die das Verdichterverhalten bei realen Druckbedingungen an der Kolbenober- und -unterseite darstellt. In die Berechnung der Kippcharakteristik bzw. der Auslenkcharakteristik gehen alle am Schwenkring 3 wirkenden Kräfte ein. Dies heißt beispielsweise Massenkräfte, wie sie in 3 dargestellt sind, Gaskräfte, die am Kolben wirken und Federkräfte, die auf den Schwenkmechanismus wirken. Die Steigung der nahezu aufeinander liegenden Kurven in 4 wird erfindungsgemäß vorgeschlagen und liegt in einem Wertebereich von maximal 2 MPa, insbesondere bei kleiner 0,5 MPa. Die Kippcharakteristik zeigt aller dings, dass im gesamten Drehzahlbereich der Verdichter auf maximalem Verdichterhub arbeiten kann. Deswegen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Verdichter bei steigender Drehzahl ab einer Grenzdrehzahl die X-Achse durchschneidet und selbsttätig abregelndes Verhalten zeigt. Dies wird in 5 verdeutlicht. Um in den Regelbereich der Auslenkcharakteristik zu kommen, muss eine Druckdifferenz zwischen der Kolbenober-(Zylindersaugdruck p_S*) und der Kolbenunterseite (Triebwerksraumdruck P_C) anliegen. Die Druckdifferenz setzt sich bei einem erfindungsgemäßen Verdichter aus zwei wesentlichen Termen zusammen. Der erste Term ist die Druckdifferenz, die mittels eines Regelorganes zwischen Hochdruck und Triebwerksraum mechanisch und/oder elektronisch eingestellt werden kann (P_C – P_s). Der zweite Term ist die Druckdifferenz, die aufgrund von saugseitigen Druckverlusten bzw. saugseitigen Drosselstellen oder dergl. in Abhängigkeit des Massenstromes gebildet wird (P_S – P_S*). Dabei ist P_S das Druckniveau, das an der saugseitigen Einleitungsstelle von der Entlastungsbohrung bzw. der Fluidverbindung des Triebwerks anliegt.
Aufgrund im Rahmen der Erfindung durchgeführter Prüfstandsversuche wird vorgeschlagen und erfindungsgemäß beansprucht, die Fluidverbindung zwischen Triebwerksaum und Verdichtersaugseite als Bohrung auszulegen und direkt den Triebwerksraum mit dem Saugdruckanschluss zu verbinden, um mit dem größtmöglichen Druckabfall (hervorgerufen durch Fluidführungen/Fluidkanäle und Kammergeometrien/Formen bzw. Durchleitungsstellen und Ventile) saugseitig zwischen der Einleitungsstelle und dem Zylinderraum den Verdichter bei hohen Drehzahlen selbsttätig abregeln zu können (vgl. hierzu auch 6). Beim erfindungsgemäßen Gegenstand verschiebt sich bei steigender Drehzahl der Betriebspunkt A (vgl. hierzu 4) in Richtung der X-Achse bis hin zu einer Grenzdrehzahl, bei der der Betriebspunkt A auf der X-Achse liegt und der Verdichter sich im Regelbereich befindet. D. h. für diesen Fall, dass schon bei geringem Öffnen des Regelventils zwischen Hochdruck und Triebwerksraum der Verdichter abregeln kann. Bei steigender Drehzahl, d. h. also bei einer Drehzahl größer der Grenzdrehzahl n_G regelt der Verdichter bedingt durch die Auslenkcharakteristik von 4 weiter ab. Weiterhin sei an dieser Stelle nochmals kurz festgehalten, dass die Einleitungsstelle axial zum Sauganschluss des Verdichters liegt (vgl. 6). Mit Hilfe des sich daraus bildenden Staudruckes ist die Druckdifferenz P_S – P_S* leicht zu erhöhen. Die Position der Einleitungsstelle ist dabei so gewählt, dass die Grenzdrehzahl n_G in einem Bereich zwischen 2000 und 5000 U/min liegt, insbesondere zwischen 2500 und 4000 U/min. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Verdichter in der bevorzugten Ausführungsform so ausgelegt, dass die Position direkt nach dem Sauggasanschluss des Verdichters und somit vor allen internen saugseitigen Drosselstellen bis hin zum Zylinderraum liegt.
Zusammenfassend lässt sich demnach festhalten, dass ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung darin liegt, dass in Bezug auf das eingesetzte Kältemittel (in der bevorzugten Ausführungsform R744) und die Anordnung der Entlastungsbohrung zwischen Triebwerksraum und Saugseite, die Summe der Momente des Triebwerkes (und ggf. die Federrate der Rückstellfeder) so aufeinander abgestimmt sind, dass der geförderte Kältemittelmassenstrom ab einer Grenzdrehzahl im wesentlichen konstant bleibt. Bei einer weiteren Erhöhung der Drehzahl zeigt die bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters abregendes Verhalten. Denkbar bleibt aber auch ein Verhalten, bei welchem eine konstante Kältemittelmasse gefördert wird. Praktisch lässt sich das bei einem bestimmten Betriebsbereich ausführen, wozu Auslegungskriterien genannt wurden. Der Vorteil liegt darin, dass im oberen Drehzahlbereich der Massenstrom konstant gehalten werden kann bzw. der Auslenkwinkel des Triebwerks in Abhängigkeit der Drehzahl verändert wird, ohne dass ein Eingreifen eines Regelventils notwendig wäre. Dies heißt auch, ohne dass ein Eingreifen in den Druck des Triebwerksraums nötig ist, welcher bekanntlich träge ist und somit zu Überschwingen oder einem trägen Regeln neigt. Des weiteren verringert sich im Teillastbetrieb des Verdichters der für die Regelung notwendige Massenstrom und der Verdichter ist somit effizienter.
Obwohl die Erfindung anhand der oben aufgeführten Ausführungsbeispiele beschrieben ist, umfasst sie auch weitere vorteilhafte Kombinationen der genannten Merkmale. Die Merkmale, die einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind, werden als erfindungswesentlich beansprucht.

1: Schwenkscheibenmechanismus
2: Antriebswelle
3: Schwenkring
4: Schiebehülse
5: Feder
6: Stützelement
7: Kraftübertragungselement
8: Aussparung im Stützelement 6
8a: radial äußerer Bereich der der Aussparung 8
8b: radial innerer Bereich der Aussparung 8
9: Bohrung
10: Antriebsbolzen
11: Sprengring
12, 13: Aussparung
14, 15: Sprengring
16: Fluidverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0809027 A1 [0002, 0010]
- EP 0809027 [0002, 0003]
- DE 19839914 A1 [0003, 0004, 0010]
- DE 10329393 [0004, 0005, 0010]
- DE 10347709 A1 [0006, 0012]
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- DE 19514748 [0008]

Claims

Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter, weiterhin insbesondere Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem im wesentlichen durch ein Gehäuses definierten Triebwerksraum, in welchem eine Schwenkscheibe, insbesondere Schwenkring (3), angeordnet ist, welcher mit wenigstens einem in einem Zylinderblock hin- und her bewegbaren Kolben in Wirkeingriff steht, wobei zwischen Triebwerksraum und einer Sauggasseite des Verdichters eine Fluidverbindung (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Momente des Triebwerks und die Anordnung der Fluidverbindung (16) derart ausgebildet sind, dass ein vom Verdichter geförderter Kältemittelmassenstrom ab einer vorbestimmten Drehzahl des Verdichters im wesentlichen konstant bleibt oder abnimmt.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Drehzahl zwischen 2000 U/min und 5000 U/min, insbesondere zwischen 2500 U/min und 4000 U/min liegt.
Verdichter, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (16) zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite auf der Sauggasseite an einer Stelle lokal höheren/höchsten Druckes, insbesondere an einem Sauggasanschluss endet.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter eine zweite Fluidverbindung aufweist, welche zwischen dem Triebwerksraum und der Hochdruckseite des Verdichters angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor bzw. in bzw. nach der Fluidverbindung (16) zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite und/oder vor bzw. in bzw. nach der zweiten Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Hochdruckseite eine insbesondere regelbare Drosselstelle und/oder eine Blende und/oder eine Absperrvorrichtung, insbesondere Ventil angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung (16) zwischen Triebwerksraum und Sauggasseite und/oder die zweite Fluidverbindung zwischen Triebwerksraum und Hochdruckseite in Form einer Bohrung ausgebildet ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das saugasseitige Ende der Fluidverbindung (16) sich axial in dieselbe Richtung erstreckt wie der Sauggasanschluss des Verdichters; d. h. dass die in axialer Richtung verlaufende Mittelachse der Fluidverbindung (16) parallel zur in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse des Sauggasanschlusses verläuft.