DE102009004333A1

DE102009004333A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102009004333A1
Application number: DE102009004333A
Authority: DE
Inventors: Holger Meub; Otfried Schwarzkopf; Oliver Tschismar
Original assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2010-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, mit mindestens einem an einer Saugseite (111) angeordneten Sauggaseintritt (110) und mindestens einem Sauggasvolumen (112) sowie mindestens einem Druckgasvolumen (119) sowie mindestens einem Druckgasauslass (122) und einem Triebwerksraum (115), wobei zwischen dem Triebwerksraum (115) und dem Sauggasvolumen (112) eine Fluidverbindung angeordnet ist, wobei eine erste Absperrvorrichtung an der Saugseite (111), mittels welcher der Sauggaseintritt (110) gegen seine dem Sauggasvolumen (112) abgewandte Seite fluiddicht absperrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der US 6,425,741 B1 (siehe 1) ist ein Verdichter bekannt, bei dem der Kolbenhub, der Kippwinkel oder das geometrische Hubvolumen in einem Bereich von 0% bis 100% regelbar ist. Die Bezugszeichen gemäß 1 werden im folgenden nicht verwendet. Diesbezüglich wird explizit auf die US 6,425,741 B1 verwiesen, aus der die Bezugszeichen einschließlich zugehöriger Komponenten entnommen werden können. In diesem Stand der Technik wird das maximale geometrische Hubvolumen durch den maximalen Kippwinkel bzw. den maximalen Kolbenhub begrenzt. In der Regel wird der maximale Kippwinkel durch einen Anschlag der Schwenkscheibe an einer Antriebswelle oder an einem Teil desselben, welche den Verdichter antreibt, definiert.
Das Hubvolumen des Verdichters bzw. der Volumenstrom des Verdichters ergibt sich aus dem geometrischen Hubvolumen des Verdichters sowie seinem Liefergrad (welcher betriebspunktabhängig ist).
In diesem Zusammenhang ist der minimale Kippwinkelanschlag bzw. der Minimalhub bzw. der minimale Kippwinkel oder das minimale geometrische Hubvolumen bzw. das Hubvolumen (Volumenstrom) von großer Bedeutung, was weiter unten näher ausgeführt ist.
Verdichter der oben genannten Bauart sind gekennzeichnet durch einen Bereich, der mit dem Niederdruckniveau der Klimaanlage korrespondiert (Verdampfungsdruck, Saugdruck ps) sowie einen Bereich, der mit einem Hochdruckniveau der Klimaanlage korrespondiert (Verdichtungsenddruck pd, Druck im Verflüssiger bzw. Gaskühler). Vernachlässigt man die Druckverluste, die zwischen den Komponenten und in den Komponenten der Klimaanlage auftreten, so kann man vereinfacht von den beiden Drucklagen auf der Saugseite ps und der Hochdruckseite pd ausgehen. In den Verdichtungsräumen des Verdichters (Kolben, Kolbenringe, Zylinder) wird das von der Saugseite anströmende Gas angesaugt und auf das höhere Druckniveau verdichtet. Für den Gaswechsel sorgen z. B. druckgesteuerte Lamellenventile auf der Saug- und der Druckseite. Je nach Betriebspunkt können saugseitig und hochdruckseitig bestimmte Drücke eingestellt werden. Das Volumen des Triebwerksraumes wird verwendet, um den dort befindlichen Triebwerksraumdruck pc variieren. Durch die Variation des Triebwerksraumdruckes pc greift man in das Kräftegleichgewicht der Schwenkscheibe ein, welche durch den Saugdruck ps, den Hochdruck pd und den Triebwerksraumdruck pc beeinflusst wird.
Der Triebwerksraumdruck kann zwischen Saugdruck ps und Hochdruck pd variiert werden. Das geschieht durch eine Verbindung (By-Pass, Drosselbohrung, Regelventile) zwischen den Volumina, die mit dem Saugdruck ps, dem Hochdruck pd sowie dem Triebwerksraumdruck pc beaufschlagt sind. Demzufolge existiert eine Verbindung zwischen Saugdruck ps und Triebwerksraumdruck pc sowie eine Verbindung zwischen Hochdruck pd und Triebwerksraumdruck pc.
Wird der Triebwerksraumdruck pc ausgehend von einer beliebigen Gleichgewichtslage der Schwenkscheibe erhöht, so bedeutet das eine Verkleinerung des Kippwinkels. Die Erhöhung des Triebwerksraumdruckes pc erfolgt durch einen Regelmassenstrom von der Hochdruckseite zum Triebwerksraum.
Wird der Triebwerksraumdruck pc von einer beliebigen Gleichgewichtslage der Schwenkscheibe verringert, so bedeutet das eine Vergrößerung des Kippwinkels. Die Verringerung des Triebwerksraumdruck pc erfolgt durch einen Regelmassenstrom vom Triebwerksraum zur Saugseite.
Wir der Triebwerksraumdruck pc in etwa auf das Saugdruckniveau ps eingestellt, so ist bei Verdichtern nach dem Stand der Technik sichergestellt, dass der Schwenkscheiben-Kippwinkel auf den maximalen Kippwinkel eingestellt ist (begrenzt z. B. durch einen Kippwinkelanschlag).
Der Regelbereich des Triebwerksraumdruck pc orientiert sich bei Verdichtern nach dem Stand der Technik ausgehend vom Saugdruckniveau ps auf höhere Werte, die etwa 0 bis 15 bar über dem Saugdruckniveau ps liegen können. Ein wichtiges Kriterium für einen Verdichter ist sein Startverhalten. Wird ein Verdichter bei geringer Motordrehzahl eingeschaltet, so fördert er einen bestimmten Kältemittelmassenstrom, vorausgesetzt die Schwenkscheibe ist auf einem bestimmten, ausreichenden Kippwinkel eingestellt. Ist der Kippwinkel auf 0° eingestellt, so existiert kein Kolbenhub und es wird kein Kältemittel gefördert. Ist der Kippwinkel sehr klein, so bildet sich in der Praxis kein Kältemittelmassenstrom und kein Hochdruckniveau pd bzw. Saugdruckniveau ps aus. Das liegt daran, dass der Verdichtungsraum systembedingt Schadräume und Leckagen aufweist. Demzufolge muss ein Verdichter je nach Konstruktion und Auswahl der Parameter einen bestimmten Kippwinkel aufweisen, um über den Druck an der Oberseite der Kolben die Schwenkscheibe auf größere Kippwinkel schwenken zu können.
Die Gaskräfte an der Oberseite der Kolben wirken in Richtung eines größeren Kippwinkels. Beim Verdichterstart (der Triebwerksraumdruck pc entspricht dem Saugdruck ps) sind es letztlich nur die Kompressionskräfte, im Regelbetrieb (der Triebwerksraumdruck pc ist höher als der Saugdruck ps) sind es auch die Ansaugkräfte (Saughub).
In der US 6,425,741 B1 wird ein solcher konstruktiv vorzusehender Kippwinkel (bei dem das Aufregeln des Verdichters noch möglich ist) als Grenzkippwinkel bezeichnet. Das heißt, bei einer Unterschreitung dieses Kippwinkels ist der Verdichter nicht mehr in der Lage, die Drucklagen aufzubauen und zu verdichten. Dieser Kippwinkel ist von Toleranzen abhängig sowie dem Betriebspunkt, der Kältemittelfüllmenge der Anlage, sowie (in erster Linie) den konstruktiven Parametern des Verdichters. Bei Verdichtern gemäß dem Stand der Technik ist es einerseits üblich, den Kippwinkelanschlag zur Definition des minimalen Kippwinkels so festzulegen, dass der minimale Kippwinkel der Schwenkscheibe etwas größer ist als der sogenannte Grenzkippwinkel und somit ein sicheres Starten des Verdichters möglich ist.
Alternativ dazu ist auch die Lösung aus der US 6,425,741 B1 bekannt (siehe 1). Hintergrund sind die sich prinzipiell widersprechenden Anforderungen an einen Verdichter, insbesondere für Klimaanlagen, nämlich einerseits die Erreichung eines sicheren Startverhaltens und andererseits die energetische Optimierung des Verdichters. Für letzteres ist zu berücksichtigen, dass moderne Verdichter häufig kupplungslos betrieben werden, was Vorteile in Bezug auf Kosten und Package mit sich bringt. Wird die Klimaanlage ausgeschaltet, so läuft der Verdichter dennoch permanent über den Riementrieb des Motors mit und nimmt damit Leistung auf, was unerwünscht ist. Weiterhin wird in der Anlage aufgrund des geförderten Kältemittelmassenstroms Kälte erzeugt, was ebenfalls uner wünscht ist, wenn die Anlage ausgeschaltet ist. Demzufolge ist aus energetischer Sicht der minimale Schwenkscheiben-Kippwinkel möglichst klein vorzusehen bzw. dieser ist möglichst auf 0° zu setzen, während der minimale Schwenkscheiben-Kippwinkel aus Sicht eines guten Startverhaltens einen bestimmten Mindestwert (> 0) haben sollte, damit sich der Verdichter noch aufregeln lässt.
Gemäß der US 6,425,741 B1 wird neben der Feder, die eine Rückstellung des Schwenkscheiben-Kippwinkels auf geringere Werte ermöglicht, eine Stellfeder eingesetzt, die die Schwenkscheibe im Bereich geringerer Kippwinkel auf größere Kippwinkel stellen kann. Beide Federn werden als Druckfedern eingesetzt und sind in der Regel gegeneinander wirksam. Demzufolge gibt es auch eine Gleichgewichtslage. Die Gleichgewichtslage definiert beim Starten des Verdichters (die Gaskräfte aufgrund eines sich vom Saugdruckniveau ps unterscheidenden Hochdruckniveaus pd sind noch nicht ausgebildet) den Kippwinkel, auf dem der Verdichter starten kann. Dieser Kippwinkel ist größer gewählt als der sogenannte Grenzkippwinkel, unterhalb dem ein Starten (Aufregeln) des Verdichters nicht mehr möglich ist. Damit ist immer gewährleistet, dass der Verdichter aufgeregelt werden kann.
Beim Start des Verdichters wird ein Hochdruckniveau pd ausgebildet, das sich vom Saugdruckniveau ps unterscheidet, und die Schwenkscheibe bewegt sich zunehmend zu größeren Kippwinkeln. Ist der erforderliche Kältemittelmassenstrom erreicht, so wird der Druck vom Hochdruckraum des Verdichters in den Triebwerksraum des Verdichters gelassen, so dass sich der Triebwerksraumdruck pc erhöht. Durch die Einstellung des Triebwerksraumdruckes pc auf einen bestimmten Wert wird in das Kräftegleichgewicht an der Schwenkscheibe eingegriffen und der Schwenkscheiben-Kippwinkel und damit der Kältemittelmassenstrom auf den gewünschten Bedarf eingeregelt.
Wir die Klimaanlage ausgeschaltet, so läuft bei einem kupplungslosen Verdichter die Antriebswelle des Verdichters mit und es geht dann darum, möglichst wenig (Verlust-)Leistung zu erzeugen und möglichst wenig Kältemittelmassenstrom zu fördern. Das wird dadurch erreicht, dass durch eine Erhöhung des Triebwerksraumdruckes pc durch einen Regelmassenstrom von der Hochdruckseite in den Triebwerksraum die Schwenkscheibe in einen Kippwinkelbereich verkippt, der unterhalb des Grenzkippwinkels liegt. Der Anschlag für den minimalen Kippwinkel begrenzt den Kippwinkelbereich und kann z. B. bei etwa 0° liegen.
In 2 ist das Regelverhalten für den Verdichterbetrieb „Aus” dargestellt. Im folgenden bedeutet Verdichterzustand „Aus”, dass entweder kein Kältemittel gefördert wird oder sich zumindest die Kältemittelförderung auf ein ggf. systembedingtes Minimum beschränkt. Der Verdichterzustand „An” hingegen soll bedeuten, dass Kältemittel über ein ggf. unvermeidbares Maß hinaus gefördert wird. 2 entspricht dem Stand der Technik gemäß der US 6,425,741 B1 . Wird der Verdichter „ausgeschaltet”, so wird der Triebwerksraumdruck erhöht und der Schwenkscheiben-Kippwinkel geht auf den Minimalwert (z. B. 0°). Es wird dann kein Kältemittel mehr gefördert bzw. der Kältemittelmassenstrom ist gleich 0 bzw. je nach minimalem Kippwinkel stark reduziert. Somit wird nach gewisser Zeit der Druck auf der Hochdruckseite pd sinken und kein Regelmassenstrom (By-Pass pd–pc) mehr zur Verfügung stehen, der von der Hochdruckseite in den Triebwerksraum gelassen werden kann. Der Triebwerksraumdruck pc wird sich ebenfalls verringern und damit wird wiederum in das Kräftegleichgewicht der Schwenkscheibe so eingegriffen, dass sich der Kippwinkel der Schwenkscheibe wieder erhöht. Die Stellfeder wird die Schwenkscheibe im genannten Fall auf einen Kippwinkel einstellen, der größer ist als der Grenzkippwinkel. Ab diesem Zeitpunkt ist der Verdichter wieder in der Lage, Kältemittel zu fördern und den Druck auf der Hochdruckseite pd und dem Triebwerksraum zu erhöhen. Mit der Erhöhung des Triebwerksraumdruckes pc wird dann wiederum die Schwenkscheibe in die Minimalstellung bewegt.
Im Verdichterzustand „Aus” wird die Schwenkscheibe des Verdichters zwischen dem minimalen Kippwinkel (z. B. 0°) und einem Kippwinkel knapp größer dem Grenzkippwinkel mit niedriger Frequenz hin- und herbewegt. Im zeitlichen Mittel ergibt sich ein mittlerer minimaler Kippwinkel, der deutlich kleiner ist als der Grenzkippwinkel. Der Verlauf des Kippwinkels entspricht dem zeitlichen Verlauf des Kolbenhubes. Der Kolbenhub bewegt sich demnach zwischen den Werten s₀ und s_g.
Das Konzept gemäß der US 6,425,741 B1 trägt dazu bei, die Verluste des Verdichters im Verdichterzustand „Aus” zu begrenzen und auf der anderen Seite ein sicheres Startverhalten des Verdichters, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, die einen niedrigen Massenstrom erzeugen, zu gewährleisten.
Wesentliche Verdichtermerkmale für die beschriebene Funktionsweise sind gemäß US 6,425,741 B1 : eine Riemenscheibe ohne Magnetkupplung (permanenter Antrieb), neben der Rückstellfeder eine Stellfeder, die die Schwenkscheibe immer wieder über den genannten Grenzauslenkwinkel hinaus befördern kann, ein druckseitiges Ventil (check valve), welches verhindert, dass ein Kältemittelmassenstrom in den Kältekreislauf gelangt, sowie entsprechende By-Pässe und Regelorgane, um den Kältemittelmassenstrom intern im Verdichter zirkulieren zu lassen.
Weitere Details zum Stand der Technik und zur Funktionsweise eines Verdichters können der US 6,425,741 B1 entnommen werden.
Nachteilig am Konzept gemäß der US 6,425,741 B1 ist, dass der zeitlich mittlere Kolbenhub (vgl. 2) relativ groß ist. Der Minimalwert wird immer dann erreicht, wenn sich der Triebwerksraumdruck pc wieder auf den erforderlichen Wert eingestellt hat. Außerdem ist das System zeitlich sehr träge und es kommt beim zeitlichen Verlauf des Kolbenhubs zu starken Überschwüngen, welche deutlich über dem Grenzkippwinkel liegen. Im allgemeinen wird die Effizienz des Verdichters gemäß der US 6,425,741 B1 als unbefriedigend empfunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter, insbesondere einen Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen aufzuzeigen, der effizient arbeitet und bei dem insbesondere ein zeitlich gemittelter Kolbenhub in einem Verdichterzustand „Aus” relativ klein ist. Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, nach Patentanspruch 1 gelöst.
Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Verdichter, insbesondere kupplungslosen Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, mit mindestens einem an einer Saugseite angeordneten Sauggaseintritt und mindestens einem Sauggasvolumen sowie mindestens einem Druckgasvolumen sowie einem Druckgasauslass und einem Triebwerksraum, wobei zwischen dem Triebwerksraum und dem Sauggasvolumen eine Fluidverbindung angeordnet ist, gelöst. Der Verdichter weist eine erste Absperrvorrichtung an der Saugseite auf, mittels welcher der Sauggaseintritt gegen seine dem Sauggasvolumen abgewandte Seite fluiddicht absperrbar ist.
Der Verdichter ist insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Klimatisierung vorgesehen und dient zur Verdichtung eines für diese Zwecke vorgesehenen Kältemittels. Vorzugsweise entspricht der Verdichter der Schrägscheiben-Schwenkscheiben-Bauart. Ein Kippwinkel der Schwenkscheibe des vorzugsweise regelbaren Verdichters kann im Betrieb durch einen Triebwerksraumdruck pc einstellbar sein. Im Bereich eines minimalen Kolbenhubs in einem Verdichterzustand „Aus” bzw. im Bereich eines minimalen Hubvolumens kann der Kippwinkel der Schwenkscheibe durch eine Saugdruckregelung od. dgl. eingestellt werden. Eine Regelung über einen Saugdruck ps ist dynamischer als eine Regelung über den Triebwerkstaumdruck pc, insbesondere wenn – was üblicherweise der Fall ist – die Saugkammer ein vergleichsweise kleineres Volumen aufweist als der Triebwerksraum. Im Verdichterzustand „Aus” ist eine Differenz zwischen einer oberen sowie einer unteren Minimalhubgrenze in Bezug auf den Kippwinkel der Schwenkscheibe bei einer Saugdruckregelung geringer. Ein zeitlich gemittelter Minimalhub ist vergleichsweise klein, was die Effizienz des Verdichters beträchtlich erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verdichter ein kupplungsloser Verdichter, der sich vorzugsweise unter einem Grenzkippwinkel und/oder auf einem Kippwinkel von etwa 0° einer Schwenkscheibe regeln läßt.
Vorzugsweise ist die erste Absperrung an der Saugseite derart ausgebildet, daß durch einen Druckanstieg im Sauggasvolumen der Verdichter aus einer 0°-Lage und/oder einer Grenzkippwinkellage der Schwenkscheibe startbar ist.
In einer konkreten Weiterbildung ist die erste Absperrvorrichtung ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil oder ein Magnetventil, was die Genauigkeit der Steuerung und damit die Effizienz positiv beeinflußt.
Vorzugsweise schaltet das Rückschlagventil selbsttätig, insbesondere volumenstromabhängig oder druckabhängig. Diese Maßnahme steigert weiter die Effizienz des Verdichters. Dadurch wird gewährleistet, daß nur der Sauggaseintritt und somit die Sauggaseintrittsrichtung des Gases beeinflußt wird und kein Sauggas, welches sich bereits in dem Sauggasvolumen befindet, nach außen entweichen kann.
Vorzugsweise weist der Verdichter eine zweite Absperrvorrichtung am Druckgasauslass auf, mittels welcher dieser fluiddicht absperrbar ist. Durch eine zusätzliche Absperrmöglichkeit am Druckgasauslass läßt sich das Gasvolumenverhältnis von Sauggasvolumen zu Triebwerksvolumen noch besser steuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Verdichter ein Druckgasvolumen, insbesondere mindestens eine Druckgaskammer, welche mittels der zweiten oder ggf. einer weiteren Absperrvorrichtung gegen den Druckgasauslass hin fluiddicht absperrbar ist. Dadurch läßt sich eine einfache Steuerung verwirklichen, bei welcher über den Sauggas eintritt (ggf. ausschließlich über den Sauggas eintritt) das Gasvolumenverhältnis zwischen dem Sauggasvolumen und dem Triebwerksvolumen gesteuert wird. Des weiteren ist es denkbar, daß die Fluidverbindung zwischen dem Triebwerksraumvolumen und dem Sauggasvolumen eine weitere Absperrvorrichtung, insbesondere ein Ventil, vorzugsweise ein Absperrventil, aufweist, um somit das Sauggasvolumen von dem Triebwerksraum zu trennen und dadurch eine unabhängige Steuerung der beiden Gasvolumenbereiche zu erreichen.
Gegebenenfalls können auch weitere Absperrvorrichtungen vorgesehen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle vorgesehenen Absperrvorrichtungen differenzdruckgeregelt oder massenstromgeregelt, um so eine automatisch ablaufende und sehr genaue Steuerung zu erhalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es denkbar, dass das Sauggasvolumen ein Dämpfungsvolumen zur Pulsationsdämpfung umfasst, welches stromaufwärts bezüglich der Sauggaskammer angeordnet ist, um so stoßweise eine Zufuhr von Sauggas zu erhalten und somit eine wesentlich genauere Steuerung des Gasvolumenverhältnisses zwischen dem Sauggasvolumen und dem Triebwerksraumvolumen zu erreichen.
Vorzugsweise wird die Fluidverbindung zwischen dem Triebwerksraum und dem Sauggasvolumen durch eine Drosselstelle gebildet. Das Sauggasvolumen ist vorzugsweise halb so groß wie das Volumen des Triebwerksraumes und entspricht weiter vorzugsweise höchstens einem Drittel des Volumen des Triebwerksraumes.
Vorzugsweise kann der Verdichter während des Fahrzeugbetriebs derart in einem Verdichterzustand „An” und in einem Verdichterzustand „Aus” betrieben werden, dass der Verdichter im Verdichterzustand „Aus” durch Druckerhöhung im Triebwerksraum abregelbar ist, wobei im Verdichterzustand „Aus” die erste Absperrvorrichtung zuschaltbar ist, um durch eine Erhöhung des Saugdrucks die Schwenkscheibe intermittierend aufregeln zu können.
Vorzugsweise ist der Verdichter während des Fahrzeugbetriebs derart in einem Verdichterzustand „An” und einem Verdichterzustand „Aus” betreibbar, dass der Verdichter im Verdichterzustand „Aus” durch Druckerhöhung im Triebwerksraum abregelbar ist, wobei die zweite Absperrvorrichtung zuschaltbar ist, um einen aufgebauten Hochdruck im Verdichter zurückzuhalten, so dass der Verdichterdruck nicht oder ggf. verlangsamt in das System entweicht.
Vorzugsweise sind die Geometrie und Dimensionierung sämtlicher translatorisch bewegter Teile einerseits und sämtlicher rotatorisch bewegter Teile andererseits derart, dass für beliebige Kippwinkel der Schwenkscheibe das Moment M_k,ges infolge der translatorisch bewegten Massen etwa gleich dem Moment M_SW infolge des Deviationsmomentes ist. Dadurch bleibt der Schwenkscheiben-Kippwinkel bei sich ändernden Drehzahlen im wesentlichen konstant.
Denkbar wäre auch eine ggf. zusätzliche systemseitige Trennung der Saugseite und der Hochdruckseite, wodurch ein Druckabbau über ein Expansionsventil vermieden werden könnte.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 Verdichter gemäß dem Stand der Technik ( US 6,425,741 B1 );
2 zeitlicher Verlauf verschiedener Parameter des Verdichters nach 1 gemäß dem Stand der Technik ( US 6,425,741 B1 );
3 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verdichters;
4 schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Verdichters nach 3 (ausschnittsweise);
5 schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verdichters nach 3 (ausschnittsweise);
6 schematische Darstellung eines Kolbens;
7 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Verdichters in einer Schnittansicht;
8 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Verdichters in einer von 7 abweichenden Schnittansicht;
9 eine Antriebswelle; und
10 zeitlicher Verlauf verschiedener Parameter des erfindungsgemäßen Verdichters.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Die 1 und 2, die den Stand der Technik zeigen, wurden bereits weiter oben näher erläutert.
3 zeigt schematisch einen kupplungslosen Axialkolbenverdichter mit einem Sauggaseintritt 110, der an einer Saugseite 111 angeordnet ist. Ein Kühlmittelstrom von dem Sauggaseintritt 110 zu einer Sauggaskammer 112 kann über ein saugseitiges Ventil 113 gesteuert werden. Über eine Verbindung 114 kann Kühlmittel von der Sauggaskammer 112 zu einem Triebwerksraum 115 über ein Ventil 116 strömen. Über eine Verbindung 117 kann entsprechend Kühlmittel über ein Ventil 118 vom Triebwerksraum 115 zu einer Druckgaskammer 119 strömen. Von der Druckgaskammer 119 kann das Kühlmittel über ein druckseitiges Ventil 120, das an einer Druckseite 121 angeordnet ist, zu einem Druckgasauslass 122 strömen.
Je nach vorliegenden Druckverhältnissen kann die Strömungsrichtung des Kältemittels auch umgekehrt erfolgen. Konkret kann, je nach Druckverhältnis, das Kältemittel beispielsweise auch von der Druckgaskammer 119 in den Triebwerksraum 115 strömen oder von dem Triebwerksraum 115 in die Sauggaskammer 112. Genauso kann das Kältemittel prinzipiell auch vom Druckgasauslass 122 in die Druckgaskammer 119 und von der Sauggaskammer 112 zum Sauggaseintritt 110 strömen.
In einer alternativen Ausführungsform (siehe 4) ist der Sauggaskammer 112 ein Dämpfungsvolumen 123 saugseitig vorgeschaltet, wobei das saugseitige Ventil 113 zwischen der Sauggaskammer 112 und dem Dämpfungsvolumen 123 angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ebenfalls das Dämpfungsvolumen 123 vorgesehen, welches ebenfalls der Sauggaskammer 112 saugseitig vorgeschaltet ist, wobei jedoch in diesem Fall das saugseitige Ventil 113 zwischen dem Sauggaseintritt 110 und dem Dämpfungsvolumen 123 angeordnet ist.
Der Verdichter ist einem Gehäuse 124 untergebracht. Wie 3 zu entnehmen ist, können dabei das saugseitige Ventil 113 und das druckseitige Ventil 120 innerhalb des Gehäuses 124 angeordnet sein (dies entspricht den durchgehend gezeichneten Ventil-Symbolen in 3) oder alternativ außerhalb des Gehäuses 124 angeordnet sein (dies entspricht den gestrichelt gezeichneten Ventil-Symbolen).
Sowohl das saugseitige Ventil 113 als auch das druckseitige Ventil 120 sind bevorzugt als selbsttätige, mechanische Ventile ausgebildet, wobei auch Magnetventile denkbar wären. Das saugseitige Ventil 113 und das druckseitige Ventil 120 können druck- oder volumenstromabhängig geregelt sein.
Alternativ können die Sauggaskammer 112 und die Druckgaskammer 119 über eine Verbindung 125 mit einem Ventil 126 verbunden sein.
Der Verdichter kann beispielsweise ausschließlich über das Ventil 118, welches in diesem Fall als Magnetventil ausgebildet sein kann, geregelt werden. In diesem Fall kann die Verbindung 114 durch eine einfache Drosselstelle ausgebildet sein. Alternativ kann der Verdichter auch sowohl durch das Ventil 116 als auch durch das Ventil 118, welche in diesem Fall beide als Magnetventile ausgebildet sein können, gesteuert werden. Die Ventile 116 und 118 können dabei entweder separat ansteuerbar sein oder durch ein einziges Ventil, wie beispielsweise ein Mehrwegeventil, welches beide Verbindungen 114 und 117 steuert, gesteuert werden.
Bei dem Verdichter gemäß 3 handelt es sich um einen kupplungslos angetriebenen Verdichter, was bedeutet, dass kein Ausschalten durch eine Kupplung möglich ist. Der Verdichter wird über einen Antrieb 127 angetrieben.
In 6 ist schematisch ein Kolben 128 dargestellt, der im Verdichter zum Einsatz kommen kann. Auf den Kolben 128 wirkt ein Saugdruck ps, ein Hochdruck pd und ein Triebwerksraumdruck pc. Der Triebwerksraumdruck pc wirkt üblicherweise direkt am Kolben, wobei jedoch auch diesbezüglich andere Ausführungsformen denkbar sind. Der Hochdruck pd und der Saugdruck ps wirken vorliegend – auch diesbezüglich sind jeweils andere Ausführungsformen denkbar – über Lamellenventile (nicht in den Figuren gezeigt), die druckgesteuert öffnen können, wenn eine entsprechende Druckdifferenz vorhanden ist. Neben der Triebwerksdynamik haben die drei genannten Drücke Einfluß auf den Schwenkscheiben-Kippwinkel. Besonders vorteilhaft in dieser Beziehung ist ein ausgeglichenes Triebwerk, um die Effekte der Drehzahlschwankungen zu vermeiden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Geometrie und Dimensionierung sämtlicher translatorisch bewegter Teile, wie beispielsweise Kolben, Kolbenstangen od. dgl. einerseits und sämtlicher rotatorisch bewegter Teile, wie beispielsweise die Schwenkscheibe sowie ggf. Gleitsteine und/oder Mitnehmer andererseits derart sind, daß für beliebige Kippwinkel der Schwenkscheibe ein Moment M_k,ges infolge der translatorisch bewegten Massen etwa gleich dem Moment M_SW infolge des Deviationsmoments ist.
Das Regelverhalten des Verdichters wird im folgenden anhand 10 für den Verdichterzustand „Aus” qualitativ erläutert.
10 zeigt, wie auch 2 (welche den Stand der Technik beschreibt), verschiedene Parameter in Abhängigkeit von der Zeit t. Konkret wird der Verlauf des Hochdrucks pd (entspricht dem Druck auf der Hochdruckseite), der Verlauf des Triebwerksraumdruckes pc, der Verlauf des Saugdrucks ps (entspricht dem Druck auf der Saugseite) sowie der Kippwinkel s im zeitlichen Verlauf dargestellt. Bezüglich des Verlaufs des Hochdrucks pd sind zwei Kurven angezeigt, nämlich einerseits eine Kurve 130 ohne das sauggasseitige Ventil 113 und eine Kurve 131 mit dem sauggasseitigen Ventil 113.
Wird der Verdichter „ausgeschaltet”, was vorliegend bedeuten soll, dass lediglich die Klimaanlage abgeschaltet wird, wobei der Verdichter kein oder nur wenig Kältemittel fördert, so wird der Triebwerksraumdruck pc erhöht und der Schwenkscheiben-Kippwinkel s verringert sich auf einen Minimalwert s0 (z. B. 0°). Es wird dann kein Kältemittel mehr gefördert bzw. der Kältemittelmassenstrom ist gleich null bzw. je nach minimalem Kippwinkel zumindest stark reduziert.
Wie auch entsprechend dem Stand der Technik (siehe 2), tritt nun das Problem auf, dass bei einem solchen Nullhub infolge keiner oder zu geringer Kältemittelförderung die aufgebauten Drucklagen prinzipiell (ohne weitere Maßnahmen zu treffen) nicht weiter aufrecht erhalten bleiben können.
Im vorliegenden Fall ist jedoch das sauggasseitige Ventil 113 vorgesehen, welches den Massenstrom steuert bzw. druckabhängig verschließbar ist. Bei sehr geringen Massenströmen, insbesondere beim Verdichterzustand „Aus”, schließt das sauggasseitige Ventil 113 die Sauggaskammer 112 des Verdichters zum System bzw. zum Kreislauf ab.
Nach gewisser Zeit sinkt der Hochdruck pd, wobei der Triebwerksraumdruck pc eventuell ebenfalls leicht abgesenkt wird. Weiterhin steigt der Saugdruck ps in der Sauggas kammer 112 relativ schnell an, da vorliegend das vom System abgetrennte Volumen der Sauggaskammer 112 relativ klein ist (nur einem Drittel des Volumens des Triebwerksraums 115 entspricht) und es deshalb durch das durch die Verbindung 114 strömende Kältemittel schnell zu einem Druckanstieg kommt. Der Anstieg des Sauggasdruckes ps erfolgt deutlich schneller als die Absenkung des Triebwerksraumdruckes pc, da im Triebwerksraum 115 ein vergleichsweise relativ großes Volumen (dreimal so groß wie das Volumen der Sauggaskammer 112) vorliegt.
Durch den Anstieg des Sauggasdruckes ps wird eine Gaskraft an dem Kolben 128 der Schwenkscheibe derart erhöht und in das Kräftegleichgewicht der Schwenkscheibe so eingegriffen, dass sich die Schwenkscheibe wieder in Richtung größerer Kippwinkel s bewegt. Eine Stellfeder (nicht gezeigt) kann auch hier optional (analog dem Stand der Technik, siehe US 6,425,741 B1 ) eingesetzt werden.
Bei entsprechender Dimensionierung wird sich der Kippwinkel s der Schwenkscheibe so einstellen, dass er größer ist als der Grenzkippwinkel sg. Ab diesem Zeitpunkt ist der Verdichter wieder in der Lage, Kältemittel zu fördern und den Hochdruck pd (und eventuell auch den Triebwerksraumdruck pc) zu erhöhen. Weiterhin bewirkt der Kolbenhub wieder eine Absenkung des Saugdruckes ps auf der Saugseite 111 des Verdichters. Im Verdichterzustand „Aus” wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge etwa periodisch.
Die Darstellung in 10 ist qualitativ, wie auch die Darstellung des Standes der Technik gemäß 2. Insbesondere sind auch die Differenzen zwischen den Drucklagen qualitativ dargestellt. Die tatsächlichen Werte, insbesondere Relativwerte, können je nach verwendetem Kältemittel und je nach Betriebspunkt deutlich unterschiedlich sein.
Die 7 und 8 zeigen ausschnittsweise eine mögliche konstruktive Ausgestaltung des in 3 schematisch dargestellten Verdichters (lediglich ausschnittsweise). 8 entspricht einem Schnitt entlang einer Linie VII-VII aus 7 (ebenfalls nur teilweise). Analog zu 3 umfaßt der Verdichter den Sauggaseintritt 110, der an der Saugseite 111 angeordnet ist, den Druckgasauslass 122, der an der Druckseite 121 angeordnet ist, sowie die Sauggaskammer 112, den Triebwerksraum 115 (nur in 7 dargestellt und auch nur ein äußerst kleiner Ausschnitt desselben) und die Druckgaskammer 119. Ein Zylinderkopf ist mit der Bezugsziffer 132 gekennzeichnet.
Im Bereich der Druckgaskammer 119 ist ein Ölabscheider 133 zur Abscheidung von Schmieröl vorgesehen. Räumlich gesehen nach dem Sauggaseintritt 110 und dem sauggas seitigen Ventil 113 ist ein Filterelement 134 ausgebildet. Im oberen Bereich der 7 ist das sauggasseitige Ventil 113 vergrößert und in zwei verschiedenen Stellungen dargestellt. Das sauggasseitige Ventil 113 umfaßt ein Rahmenelement 135 und ein Federelement 136. Das Rahmenelement 135 ist nicht umlaufend ausgebildet, sondern segmentiert unterbrochen (dies ist der Schnittansicht gemäß 7 nicht zu entnehmen). Eine mögliche Strömung des Kältemittels wird durch die Pfeile 137 bis 140 dargestellt.
Das sauggasseitige Ventil 113 schließt bei geringen Massenströmen, beispielsweise massenstromabhängig und/oder differenzdruckabhängig. Das druckseitige Ventil 120 kann ein gleiches oder ähnliches Funktionsprinzip wie das saugseitige Ventil 113 aufweisen. Die Messung des Massenstroms und/oder Differenzdrucks kann über entsprechende Sensoren durchgeführt werden. Es kann weiterhin eine Elektronik mit einer zentralen Recheneinheit vorgesehen sein, die unter anderem mit den Meßwerten der Sensoren die Ventile 113 und 120 steuert.
Das sauggasseitige Ventil 113 dient dazu, dass sich im Verdichterzustand „Aus” der Saugdruck schnell erhöhen kann, um bei Bedarf den Kippwinkel entsprechend 10 zu erhöhen. Durch das sauggasseitige Ventil 113 wird die Sauggaskammer 112 verschlossen und in der im vorliegenden Fall vergleichsweise kleinen Sauggaskammer 112 kann sich der Druck sehr schnell erhöhen. Es ist denkbar, das saugseitige Ventil 113 auf der Saugseite 111 in den Verdichter zu integrieren. Beispielsweise könnte in Strömungsrichtung ab dem Sauggaseintritt 110 zunächst ein sauggasseitiges Dämpfungsvolumen, insbesondere zur Pulsationsdämpfung, beispielsweise ausgebildet als Dämpfungskammer, angeordnet sein, und danach das sauggasseitige Ventil 113. Dadurch kann die Sauggaskammer 112 des Verdichters bezüglich des Volumens relativ kompakt gestaltet werden.
Das druckseitige Ventil 120 dient dazu, den aufgebauten Hochdruck im Verdichter zurückzuhalten.
9 zeigt ein Verdichtertriebwerk 141. Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß US 6,425,741 B1 bzw. dem dort dargestellten Triebwerk ist keine Stell- und Rückstellfeder vorgesehen, sondern lediglich ein Federelement 142, das sowohl als Zug- als auch als Druckfeder arbeitet. Die Null-Lage des Federelementes 142 ist bezüglich der Schwenkscheibe im Bereich des Grenzkippwinkels oder etwas darüber in Richtung größerer Kippwinkel.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

pc: Triebwerksraumdruck
pd: Hochdruck
pd1: Hochdruck
pd2: Hochdruck
ps: Saugdruck
ps1: Saugdruck
ps2: Saugdruck
t: Zeit
t0: Zeitpunkt
s: Kippwinkel
sg: Grenzkippwinkel
s0: minimaler Kippwinkel
110: Sauggaseintritt
111: Saugseite
112: Sauggasvolumen (Sauggaskammer)
113: sauggasseitiges Ventil
114: Verbindung
115: Triebwerksraum
116: Ventil
117: Verbindung
118: Ventil
119: Druckgasvolumen (Druckgaskammer)
120: druckseitiges Ventil
121: Druckseite
122: Druckgasauslass
123: Dämpfungsvolumen
124: Gehäuse
125: Verbindung
126: Ventil
127: Antrieb
128: Kolben
129: gestrichelte Linie
130: Kurve
131: Kurve
132: Zylinderkopf
133: Olabscheider
134: Filterelement
135: Rahmenelement
136: Federelement
137: Pfeil
138: Pfeil
139: Pfeil
140: Pfeil
141: Verdichtertriebwerk
142: Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6425741 B1 [0002, 0002, 0012, 0013, 0014, 0017, 0019, 0020, 0021, 0022, 0022, 0042, 0043, 0070, 0078]

Claims

Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, mit mindestens einem an einer Saugseite (111) angeordneten Sauggaseintritt (110) und mindestens einem Sauggasvolumen (112) sowie mindestens einem Druckgasvolumen (119) sowie mindestens einem Druckgasauslass (122) und einem Triebwerksraum (115), wobei zwischen dem Triebwerksraum (115) und dem Sauggasvolumen (112) eine Fluidverbindung angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine erste Absperrvorrichtung an der Saugseite (111), mittels welcher der Sauggaseintritt (110) gegen seine dem Sauggasvolumen (112) abgewandte Seite fluiddicht absperrbar ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein kupplungsloser Verdichter ist, der sich vorzugsweise unter einen Grenzkippwinkel einer Schwenkscheibe und/oder auf einen Kippwinkel von etwa 0° der Schwenkscheibe regeln läßt.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Absperrvorrichtung an der Saugseite (110) derart ausgebildet ist, daß durch einen Druckanstieg im Sauggasvolumen (112) der Verdichter aus einer 0°-Lage und/oder Grenzkippwinkel-Lage der Schwenkscheibe startbar ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Absperrvorrichtung ein Ventil (113), insbesondere ein Rückschlagventil oder ein Magnetventil ist.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil selbsttätig, insbesondere volumenstromabhängig oder druckabhängig schaltet.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter eine zweite Absperrvorrichtung am Druckgasauslass (122) aufweist, mittels welcher dieser fluiddicht absperrbar ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter weiterhin ein Druckgasvolumen, insbesondere mindestens eine Druckgaskammer (119) umfaßt, welche mittels der zweiten Absperrvorrichtung gegen den Druckgasauslass (122) hin fluiddicht absperrbar ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Absperrvorrichtung differenzdruckgeregelt oder massenstromgeregelt ist/sind.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauggasvolumen (112) ein Dämpfungsvolumen (123) zur Pulsationsdämpfung umfasst, welches bezüglich dem Sauggasvolumen (112) stromaufwärts angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Absperrvorrichtung zwischen dem Dämpfungsvolumen (123) und dem Sauggasvolumen (112) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung zwischen dem Triebwerksraum (115) und dem Sauggasvolumen (112) eine Drosselstelle umfaßt.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauggasvolumen (112) höchstens halb so groß ist wie das Volumen des Triebwerksraumes (115) und vorzugsweise höchstens einem Drittel des Volumens des Triebwerksraumes (115) entspricht.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter während des Fahrzeugbetriebs derart in einem Verdichterzustand „An” und einem Verdichterzustand „Aus” betreibbar ist, daß der Verdichter im Verdichterzustand „Aus” durch Druckerhöhung im Triebwerksraum abregelbar ist, wobei im Verdichterzustand „Aus” die erste Absperrvorrichtung zuschaltbar ist, um durch eine Erhöhung des Saugdrucks die Schwenkscheibe intermittierend aufregeln zu können.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter während des Fahrzeugbetriebs derart in einem Verdichterzustand „An” und einem Verdichterzustand „Aus” betreibbar ist, dass der Verdichter im Verdichterzustand „Aus” durch Druckerhöhung im Triebwerksraum abregelbar ist, wobei im Verdichterzustand „Aus” die zweite Absperrvorrichtung zuschaltbar ist, um einen aufgebauten Hochdruck im Verdichter zurückzuhalten.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und Dimensionierung sämtlicher translatorisch bewegter Teile einerseits und sämtlicher rotatorisch bewegter Teile andererseits derart sind, dass fit beliebige Kippwinkel der Schwenkscheibe ein Moment M_k,ges infolge der translatorisch bewegten Massen etwa gleich dem Moment M_SW infolge des Deviationsmoments ist.
Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (111) von einer Druckseite (121) systemseitig abgetrennt ist.