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Die Erfindung betrifft einen Klimakompressor für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Kompressionskammer, die einen Zulauf für ein zu verdichtendes Kühlmedium und einen Ablauf für das verdichtete Kühlmedium aufweist, wobei eine Wand der Kompressionskammer wenigstens bereichsweise von einem translatorisch verlagerbaren Kolben gebildet ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Antriebsvorrichtung und einer einen Klimakompressor aufweisenden Klimatisierungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Klimakompressoren und Fahrzeuge der hier angesprochenen Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um den Komfort in Fahrzeugen, insbesondere in Bezug auf die Fahrzeuginnenraumtemperatur zu erhöhen, ist es bekannt, Klimatisierungseinrichtungen vorzusehen, die für eine Kühlung des Innenraums sorgen. Dazu weisen derartige Klimatisierungseinrichtungen zumindest einen Klimakompressor auf, der für das die Klimatisierung ermöglichende Verdichten eines gas- und/oder dampfförmigen Kältemittels in einem Kreislauf der Klimatisierungseinrichtung sorgt. Hierbei sind Klimakompressoren bekannt, die auf dem Prinzip einer Kolbenpumpe beruhen und dazu einen translatorisch verlagerbaren Kolben aufweisen, der zum Verdichten eines in einer Kompressionskammer befindlichen gas- und/oder dampfförmigen Kühlmediums dient. Der Kolben bildet dabei zumindest einen Wandbereich der Kompressionskammer, so dass durch Verlagern des Kolbens das Volumen der Kompressionskammer verringert und das darin befindlichen Kühlmedium verdichtet wird.
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Bekannte Klimakompressoren sind derart ausgebildet, dass sie mechanisch über einen Riemen- oder Kettentrieb von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben werden. Dadurch wird der Antriebsvorrichtung eines derartigen Fahrzeugs jedoch Energie genommen, die dem Fahrzeug zum Vorschub fehlt und sich darüber hinaus auch im Schadstoffausstoß (CO2-Ausstoß) bemerkbar macht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Klimakompressor wird ohne die Leistung einer Antriebsvorrichtung zu vermindern angetrieben und bedarf, im Vergleich zu bekannten Klimakompressoren, einen verhältnismäßig geringen Bauraum. Dieser Klimakompressor zeichnet sich durch die Merkmale des geltenden Anspruchs 1 aus. Demgemäß ist der Klimakompressor derart ausgebildet, dass der Kolben an seinem der Kompressionskammer abgewandten Ende wenigstens einen Wandbereich einer Steuerdruckkammer des Klimakompressors bildet. Es ist somit ein Klimakompressor vorgesehen, der einen axial verlagerbaren Kolben aufweist, der auf der einen Seite beziehungsweise mit einem Ende mit der Kompressionskammer und auf der anderen Seite beziehungsweise mit dem anderen Ende mit der Steuerdruckkammer zusammenwirkt. Durch den Druckunterschied zwischen Steuerdruckkammer und Kompressionskammer wird der Kolben dabei axial verlagert. Der Druck in der Steuerdruckkammer lässt sich, wie der Name bereits sagt, steuern, sodass ein Kompressionsvorgang in der Kompressionskammer durch Erhöhen und Verringern des Drucks in der Steuerdruckkammer einstellbar ist. Durch Erhöhen des Drucks in der Steuerkammer wird der Kolben in die Kompressionskammer hinein bewegt beziehungsweise das Volumen der Kompressionskammer verringert. Durch Verringern des Drucks in der Steuerdruckkammer wird der Kolben aus der Kompressionskammer herausbewegt, sodass in der Kompressionskammer Kühlmedium nachströmt und gegebenenfalls angesaugt wird. Somit wird der erfindungsgemäße Klimakompressor nicht mechanisch, sondern bevorzugt hydraulisch betrieben. Hierbei kann eine Anbindung des Klimakompressors an ein bestehendes Hydrauliksystem erfolgen. Der vorteilhafte Klimakompressor entnimmt somit einer Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs keine zum Antrieb/Vorschub notwendige Energie.
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Vorteilhafterweise sind der Zulauf und/oder der Ablauf der Kompressionskammer an einem dem Kolben fernen Endbereich der Kompressionskammer angeordnet beziehungsweise ausgebildet. Hierdurch wird gewährleistet, dass das größtmögliche Volumen der Kompressionskammer zum Fördern und Verdichten von Kühlmedium nutzbar ist. Im einfachsten Fall sind der Zulauf und/oder der Ablauf als Bohrung/-en in einem die Kompressionskammer bildenden Gehäuse ausgebildet.
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Bevorzugt ist dem Zulauf und/oder dem Ablauf jeweils ein Rückschlagventil zugeordnet. Dabei sind die Rückschlagventile derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass bei erhöhtem Druck in der Kompressionskammer das dem Zulauf zugeordnete Rückschlagventil schließt und das dem Ablauf zugeordnete Rückschlagventil öffnet, sodass das in der Kompressionskammer komprimiertes Kühlmedium unter hohem Druck aus der Kompressionskammer ausgetrieben wird, wenn sich der Kolben in die Kompressionskammer verschiebt. Bewegt sich der Kolben aufgrund eines geringeren Drucks in der Steuerdruckkammer in die entgegengesetzte Richtung, so verschließt das dem Ablauf zugeordnete Rückschlagventil den zuvor freigegebenen Durchströmungsquerschnitt und das dem Zulauf zugeordnete Rückschlagventil gibt einen Durchströmungsquerschnitt frei, sodass gas- und/oder dampfförmiges Kühlmedium in die Kompressionskammer nachströmen kann. Die Rückschlagventile gewährleisten somit einen Druckaufbau in der Kompressionskammer und eine Trennung zwischen einem Hochdruckabschnitt und einem Niederdruckabschnitt eines das Kühlmedium führenden Kühlkreislaufs.
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Zweckmäßigerweise ist dem Kolben wenigstens eine Rückstellfeder zugeordnet. Wobei hier unter dem Rückstellen das Verschieben des Kolbens aus der Kompressionskammer heraus zu verstehen ist. Mit anderen Worten dient die Rückstellfeder dazu, das Volumen der Kompressionskammer durch Verschieben des Kolbens zu erhöhen. Dies hat den Vorteil, dass der in der Steuerdruckkammer einzustellende (Unter-)Druck zum Verlagern des Kolbens in Richtung der Steuerdruckkammer verringert werden kann. Die Rückstellfeder gewährleistet dauerhaft einen sicheren Betrieb des Klimakompressors, indem sie den Kolben in Richtung der Steuerdruckkammer mit einer Federkraft beaufschlagt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Rückstellfeder dazu als Schraubenfeder ausgebildet und in der Kompressionskammer angeordnet ist. Die Rückstellfeder wirkt somit als Druckfeder und liegt gegebenenfalls vorgespannt zwischen der zu der Kompressionskammer weisenden Stirnseite des Kolbens und einer dieser Stirnseite des Kolbens gegenüberliegenden Gehäusewand der Kompressionskammer.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Steuerdruckkammer in einen Hydraulikkreislauf, insbesondere einer Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs einbindbar ist. Hierzu weist die Steuerdruckkammer entsprechende Anschlüsse auf, die ein einfaches Einbinden in einen derartigen Hydraulikkreislauf erlauben. Zweckmäßigerweise werden auch Material und Materialstärke des die Steuerdruckkammer bildenden Gehäuses entsprechend den Hochdruck-Anforderungen gewählt. Dies führt unter anderem dazu, dass die Steuerdruckkammer als Hydraulikkammer und der Klimakompressor als hydraulisch gesteuerter Klimakompressor ausgebildet ist.
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Bevorzugt weist die Steuerdruckkammer hierzu einen Hochdruckanschluss und einen Niederdruckanschluss für den Hydraulikkreislauf auf. Durch den Hochdruckanschluss wird Hydraulikflüssigkeit in die Steuerdruckkammer geführt, sodass der Kolben in die Kompressionskammer hineinverlagert wird. Dazu muss zweckmäßigerweise an dem Hochdruckanschluss ein Druck vorliegen, der ein Verlagern des Kolbens zum Verdichten des in der Kompressionskammer befindlichen gas- und/oder dampfförmigen Kühlmediums ausreicht.
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Schließlich ist vorgesehen, dass dem Niederdruck- und/oder dem Hochdruckanschluss jeweils ein schaltbares Ventil zugeordnet ist. Dadurch lässt sich nicht nur auf einfache Art und Weise die Arbeitsfrequenz des Klimakompressors einstellen, sondern auch der in der Kompressionskammer wirkende Kompressionsdruck. Durch Öffnen des dem Hochdruckanschluss zugeordneten schaltbaren Ventils strömt Hydraulikflüssigkeit unter hohem Druck in die Steuerdruckkammer. Das Niederdruckventil ist dabei zweckmäßigerweise geschlossen. Durch den hohen Druck der Hydraulikflüssigkeit wird der Kolben in die Kompressionskammer verlagert, und das sich dort befindende Kühlmedium verdichtet. Spätestens wenn der Druck in der Kompressionskammer dem auf den Kolben wirkenden Druck in der Steuerkammer entspricht – also inklusive der Federkraft der Rückstellfeder –, wird das dem Hochdruckanschluss zugeordnete Ventil geschlossen und das dem Niederdruck zugeordnete Ventil geöffnet, sodass die Hydraulikflüssigkeit aus der Steuerdruckkammer herausströmt und durch den Druckverlust in der Steuerdruckkammer der Kolben zurückgestellt wird.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug zeichnet sich durch einen Klimakompressor aus, wie er oben beschrieben wurde. Zweckmäßigerweise ist der Klimakompressor in einen Hydraulikkreislauf der Antriebsvorrichtung eingebunden, wobei vorteilhafterweise der Niederdruckanschluss mit einem Niederdruckabschnitt des Hydraulikkreislaufs verbunden ist und der Hochdruckanschluss mit einem Hochdruckabschnitt des Hydraulikkreislaufs. Durch entsprechendes Betätigen der schaltbaren Ventile kann nun die Kühlleistung der Klimatisierungseinrichtung auf einfache Art und Weise gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Da ein mechanischer Antrieb des Klimakompressors unterbleibt, wird der Antriebsvorrichtung keine für den Vorschub benötigte Energie entnommen, sodass zum einen die Leistung der Antriebsvorrichtung vollständig für den Vortrieb genutzt werden kann und zum anderen Schadstoffemissionen verringert werden.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 einen Klimakompressor in einer vereinfachten Schnittdarstellung und
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2 ein Fahrzeug mit einer Klimatisierungseinrichtung.
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Die 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Längsschnitt durch einen Klimakompressor 1, für eine Klimatisierungseinrichtung insbesondere eines Fahrzeugs beziehungsweise Kraftfahrzeugs. Der Klimakompressor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das vorzugsweise zumindest im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet ist. In dem Gehäuse 2 ist ein Kolben 3 axial – also in Richtung seiner Längsachse – translatorisch verlagerbar angeordnet. An seiner Mantelaußenfläche sind an dem Kolben 3 zwei Dichtungselemente 4 in Form von O-Ringen 5 angeordnet, die den Spalt zwischen Kolben 3 und der Innenseite des Gehäuses 2 dichtend verschließen. Gleichzeitig können die Dichtungselemente 4 auch zur Führung des Kolbens 3 in dem Gehäuse 2 dienen. Zweckmäßigerweise sind jedoch zur Führung weitere, hier nicht dargestellte Mittel, beispielsweise in Form von Führungsstegen und/oder -Nuten vorgesehen, die insbesondere zur Reibungsminimierung beim Verschieben des Kolbens 3 in dem Gehäuse 2 dienen und ein verklemmendes Verkippen des Kolbens 3 in dem Gehäuse 2 verhindern.
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Das Gehäuse 2 des Klimakompressors 1 weist weiterhin in einem ersten Bereich 6 einen Zulauf 7 sowie einen Ablauf 8 auf, die jeweils in der Mantelwand des Gehäuses 2 ausgebildet sind. Vorliegend sind der Zulauf 7 und der Ablauf 8 im Wesentlichen radial zu dem Gehäuse 2 ausgerichtet. Der Zulauf 7 weist ein erstes Rückschlagventil 9 und der Ablauf 8 ein zweites Rückschlagventil 10 auf. Die Ausbildung und Funktion von Rückschlagventilen ist allgemein bekannt, so dass hier auf die genaue Ausbildung der Rückschlagventile 9 und 10 nicht näher eingegangen werden soll.
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An seinem dem Endbereich 6 gegenüberliegenden Endbereich 11 weist das Gehäuse 2 des Klimakompressors 1 einen Hochdruckanschluss 12 sowie einen Niederdruckanschluss 13 auf, die vorliegend ebenfalls in der Mantelwand des Gehäuses 2 ausgebildet sind. Dem Hochdruckanschluss 12 und dem Niederdruckanschluss 13 sind dabei jeweils ein schaltbares Ventil 14 beziehungsweise 15 zugeordnet. Mittels der Anschlüsse 12 und 13 lässt sich der Klimakompressor 1 in den Hydraulikkreislauf einer Antriebsvorrichtung des oben genannten Kraftfahrzeugs einbinden. Mittels der schaltbaren Ventile 14 und 15 lässt sich bei dem jeweiligen Anschluss 12, 13 ein entsprechender Durchströmungsquerschnitt verschließen oder freigeben. Gegebenenfalls sind die Durchströmungsquerschnitte stufenlos einstellbar. Die Rückschlagventile 9, 10 und/oder die Ventile 14, 15 können jeweils wenigstens bereichsweise einstückig mit dem Gehäuse 2 oder als separate Anbauteile ausgebildet sein.
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Der in dem Gehäuse 2 verschiebbar gelagerte Kolben 3, der gegenüber der Innenwand des Gehäuses 2 mittels der Dichtelemente 4 abgedichtet ist, teilt das Gehäuse 2 in zwei Kammern 16 und 17. Die Kammer auf der den Zulauf 7 und den Ablauf 8 aufweisenden Seite des Gehäuses 2 bildet eine Kompressionskammer 18 für ein Kühlmedium der den Klimakompressor 1 aufweisenden Klimatisierungseinrichtung des Kraftfahrzeugs. Die auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 3 gelegene Kammer 17 bildet zusammen mit dem Kolben eine Steuerdruckkammer 19, die durch Schalten der Ventile 14 und 15 die Bewegung des Kolbens 3 im Wesentlichen steuert.
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In der Kompressionskammer 18 ist vorteilhafterweise eine Rückstellfeder 20, die vorliegend als Schraubenfeder 21 ausgebildet ist, angeordnet. Die Rückstellfeder 20 wirkt dabei mit der freien Stirnseite des Kolbens 3 und der dem Kolben gegenüberliegenden, geschlossenen Stirnseite des Gehäuses 2 im Endbereich 6 zusammen. Gegebenenfalls ist die Rückstellfeder 20 unter Vorspannung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 angeordnet, sodass sie den Kolben 3 stets in Richtung der Steuerdruckkammer 19 mit einer Federkraft beaufschlagt. Damit der Kolben 3 nicht vollständig in die Steuerdruckkammer 19 eingebracht wird, sind in diesem Fall zweckmäßigerweise an der Gehäuseinnenwand Anschläge vorgesehen, die ein zu weites Eindringen des Kolbens 3 in die Steuerdruckkammer 19 verhindern. Die Steuerdruckkammer 19 sowie die Kompressionskammer 18 werden somit jeweils durch die Wände des Gehäuses 2 sowie durch jeweils eine freie Stirnseite des Kolbens 3 gebildet.
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Im Folgenden soll die Funktion des Klimakompressors 1 erläutert werden: Dem Zulauf 7 wird ein zu verdichtendes gas- und/oder dampfförmiges Kühlmedium des Kühlkreislaufs der Klimatisierungseinrichtung zugeführt. Die Rückschlagventile 9 und 10 gewährleisten, dass das zu verdichtende Kühlmedium zwar in die Kompressionskammer 18 hinein, jedoch nicht aus ihr wieder herausströmen kann, sofern der Druck in der Kompressionskammer einen kritischen Druck nicht überschreitet. Für einen Verdichtungsvorgang wird zunächst das Ventil 14 geöffnet, sodass Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikkreislauf der Antriebsvorrichtung in die Steuerdruckkammer 19 strömt, während das Ventil 15 verschlossen ist. Hierdurch baut sich in der Steuerdruckkammer 19 ein Druck auf, der dafür sorgt, dass sich der Kolben 3 in Richtung der Kompressionskammer 16 beziehungsweise in Richtung des Endbereichs 6, wie durch einen Pfeil 22 angedeutet, bewegt. Die Rückstellfeder 20 wird dabei gespannt und das sich in der Kompressionskammer 16 befindliche gas- und/oder dampfförmige Kühlmedium verdichtet, wobei der Druck in der Kompressionskammer 18 erhöht wird.
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Die verbleibende Flüssigphase wird gegen das Rückschlagventil 10 des Ablaufs 8 gedrängt, wodurch dieses bei Erreichen des kritischen Drucks geöffnet und das nun flüssige, verdichtete Kühlmedium durch den Ablauf 8 in den Kühlkreislauf gefördert beziehungsweise gepresst wird, zumindest solange der Druck in der Steuerdruckkammer höher ist als der Druck in der Kompressionskammer 18. Spätestens wenn ein Druckausgleich zwischen der Kompressionskammer 18 und der Steuerdruckkammer 19 stattgefunden hat, wird das Ventil 14 des Hochdruckanschlusses 12 geschlossen und das Ventil 15 des Niederdruckanschlusses 13 geöffnet. Dadurch entspannt sich die Hydraulikflüssigkeit in der Steuerdruckkammer 19 und strömt durch das Ventil 15 und den Niederdruckanschluss 13 zurück in den Hydraulikkreislauf der Antriebsvorrichtung. Die Rückstellfeder 20 sowie der nunmehr vorliegende Druckunterschied zwischen der Steuerdruckkammer 19 und der Kompressionskammer 18 sorgen dafür, dass der Kolben 3 zurück, wie durch einen Pfeil 23 angedeutet, in seine Ausgangsposition verschoben wird. Dabei verdampft das in der Kompressionskammer 18 verbliebene Kühlmittel wieder, und durch die entstehende Saugwirkung wird über das Rückschlagventil 9 zusätzlich gas- und/oder dampfförmiges Kühlmedium in die Kompressionskammer 18 gesogen, während das Rückschlagventil 10 wieder verschlossen ist. Hier beginnt der oben beschrieben Vorgang sich zu wiederholen. Durch entsprechendes Einstellen der Ventile 14 und 15 lässt sich dabei die Geschwindigkeit des Kolbens 3 sowie der Bewegungsweg des Kolbens 3 beeinflussen.
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Die 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 24, das als Kraftfahrzeug 25 ausgebildet ist und dazu eine Antriebsvorrichtung 26 umfasst, die eine Brennkraftmaschine und/oder eine oder mehrere elektrische Maschinen umfasst. Der Antriebsvorrichtung 26 ist eine Hydraulikeinheit 27 zugeordnet, die unter anderem Mittel zum Erzeugen eins Drucks für ein flüssiges Hydraulikmedium aufweist. Die Hydraulikeinheit ist über einen ersten Hydraulikreislauf 28 mit Komponenten der Antriebsvorrichtung 26 und über einen zweiten Hydraulikkreislauf 29 mit dem oben beschriebenen Klimakompressor 1 verbunden. Dabei ist ein Hochdruckabschnitt des Hydraulikkreislaufs 29 mit dem Hochdruckanschluss 12 der Steuerdruckkammer 19 und ein Niederdruckabschnitt des Hydraulikkreislaufs 29 mit dem Niederdruckanschluss 13 verbunden. Die Kompressionskammer 18 ist mit ihrem Zulauf 7 und ihrem Ablauf 8 in einen Kühlkreislauf 30 einer Klimatisierungseinrichtung 31 eingebunden und somit Bestandteil der Klimatisierungseinrichtung 31. In den Kühlkreislauf 30 ist weiterhin ein Kondensator 32 eingebunden, der von Umgebungsluft, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Gebläses 33 durchströmt wird, wie durch Pfeile 34 angedeutet. Die Klimatisierungseinrichtung 31 umfasst vorteilhafterweise weiterhin – hier nicht dargestellt – einen Sammelbehälter für das Kühlmedium, einen Temperatur-geregelten Schalter zum Ein- und Ausschalten des Klimakompressors 1, insbesondere in Form eines Zweipunktreglers, einen dem Schalter zugeordneten Temperatursensor, ein Expansionsventil sowie einen Verdampfer mit schaltbaren Verdampfergebläse zum Erbringen der Kühlleistung.
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Insgesamt bietet der Klimakompressor 1 somit auf besonders einfache Art und Weise eine Kompressionsmöglichkeit für das Kühlmedium, ohne dass einer Antriebsvorrichtung 26 des Kraftfahrzeugs 25 Leistung entzogen werden muss. Darüber hinaus bietet der vorliegende Klimakompressor 1 eine besonders kompakte und kostengünstige Bauform. Außerdem ist eine Klimatisierung auch während eines Motorstillstands problemlos möglich, was insbesondere bei modernen Hybridantriebskonzepten, die als Antriebskomponenten neben einem klassischen Verbrennungsmotor, wie beispielsweise Otto- oder Dieselmotor, eine oder mehrere elektrische Maschinen aufweisen.
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Um Verunreinigungen zwischen der Hydraulikflüssigkeit und dem Kältemedium in dem Klimakompressor 1 zu verhindern, ist in einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, ein „atmosphärisches Zwischenteil” zwischen der Kompressionskammer 18 und der Steuerdruckkammer 19 vorgesehen. So können beispielsweise in dem Gehäuse 2 eine oder mehrere Membranen zur Trennung der verschiedenen Medien vorgesehen sein. Auch ist es denkbar, die Kompressionskammer 18 und die Steuerdruckkammer 19 in unterschiedlichen, im Wesentlichen voneinander getrennten Gehäuseteilen vorzusehen, während in jedem der Gehäuseteile ein Teilkolben verschiebbar gelagert ist, und die Teilkolben wiederum über eine entsprechende Mechanik miteinander verbunden sind.
