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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Klimakompressor für ein Kraftfahrzeug, dessen Druckkammer mit einem hochdruckseitigen Port und dessen Saugkammer mit einem niederdruckseitigen Port verbunden ist, wobei zwischen der Druckkammer und dem hochdruckseitigen Port ein Rückschlagventil angeordnet ist, dessen Ventilkörper entgegen der bestimmmungsgemäßen Kältemittel-Stromrichtung und in Schließrichtung des Rückschlagventils durch eine Vorspannkraft vorgespannt ist, die eine erste Feder-Vorspannkraftkomponente aufweist, welche durch eine am Ventilkörper einerseits und an einem Federwiderlager andererseits abgestützte Feder erzeugt ist.
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Stand der Technik
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Derartige Klimakompressoren sind bekannt aus der
WO 2007/054243 A1 .
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Der grundsätzliche Aufbau eines Klimakompressors ist dem Fachmann bekannt. In einem Kurbelgehäuse sind eine Mehrzahl von Kolben an einer rotierbaren Taumelscheibe angelenkt. Weist die z. B. über einen Riementrieb in Rotation versetzte Taumelscheibe einen von Null verschiedenen Kippwinkel auf, führt dies zu einer axialen Hubbewegung der Kolben während ihrer Umdrehung um die Drehachse der Taumelscheibe, wobei Kältemittel von der Saugkammer angesaugt und in die Druckkammer gepumpt wird. Die Saugkammer ist mit dem niederdruckseitigen Port des Klimakompressors verbunden, welcher seinerseits im montierten Zustand im Kraftfahrzeug mit dem Niederdruckbereich des Klimasystems, d. h. insbesondere mit dem Ausgang des Verdampfers verbunden ist. Die Druckkammer ist mit dem hochdruckseitigen Port des Klimakompressors verbunden, der seinerseits im montierten Zustand im Kraftfahrzeug mit dem Hochdruckbereich des Klimasystems, insbesondere über einen Wärmetauscher mit dem Eingang des Verdampfers verbunden ist. Unter dem Begriff des Ports soll im vorliegenden Zusammenhang allgemein eine mechanische und pneumatisch/hydraulische Schnittstelle zwischen dem Klimakompressor und seiner Peripherie verstanden werden. Zwischen Druck- und Saugkammer einerseits und dem Kurbelgehäuse andererseits ist ein Druckregelkreis etabliert, mit welchem die Winkelstellung der Taumelscheibe und daher über den Kolbenhub die Leistung des Klimakompressors regelbar ist. Wesentlicher Bestandteil dieses Regelkreises ist typischerweise ein von einem Klima-Steuergerät angesteuertes Regelventil.
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Wichtige Voraussetzung für die Regelung ist ein hinreichendes Druckgefälle zwischen Druckkammer, Saugkammer und Kurbelgehäuse. Insbesondere nach langen Stillstandszeiten ist es möglich, dass das Druckgefälle zu klein wird, um eine ausreichende Anfangs-Winkelstellung der Taumelscheibe hervorzurufen. Folglich ergeben sich Startschwierigkeiten des Klimasystems. Es ist daher üblich, in den Bereich zwischen der Druckkammer und dem hochdruckseitigen Port des Klimakompressors ein Rückschlagventil einzubauen, welches in Richtung der Druckkammer vorgespannt ist. Hierzu wird in üblicher Weise ein Ventilkörper mittels einer Feder gegen einen Ventilsitz gepresst, wobei die Orientierung des Rückschlagventils so gewählt ist, dass es dem bestimmungsgemäßen Kältemittelstrom von der Druckkammer zum hochdruckseitigen Port entgegenwirkt. Das Rückschlagventil stellt somit dem in der Druckkammer aufgebauten Überdruck einen Widerstand entgegen, sodass sich allmählich auch bei geringer Taumelscheiben-Schrägstellung ein Überdruck in der Druckkammer aufbauen kann, der für eine effiziente Regelung des Klimakompressors ausreichend ist. Erst bei Erreichen dieses Basisdrucks, der typischerweise im Bereich von ca. 2 bar liegt, öffnet das Rückschlagventil und komprimiertes Kältemittel strömt über den Wärmetauscher zum Verdampfer.
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In besonderen Situationen ist es jedoch möglich, dass diese Starthilfe durch das Rückschlagventil nicht ausreichend ist. Derartige Situationen ergeben sich beispielsweise durch lokales Aufheizen des Innenraums des Kraftfahrzeugs, etwa bei einem in der Sonne abgestellten Fahrzeug. Dabei kann sich der Verdampferausgang, somit der niederdruckseitige Bereich des Klimasystems, soweit aufheizen, dass es zu einem Überdruck im niederdruckseitigen Systembereich im Vergleich zum hochdruckseitigen Systembereich kommt. In diesen Fällen kann ein Druckausgleich zwischen Kurbelgehäuse, Druck- und Saugkammer vorliegen, wobei der dort herrschende Druck höher ist als der Druck im hochdruckseitigen Systembereich hinter dem Rückschlagventil. Die wirksame Vorspannkraft des Rückschlagventils ist in diesem besonderen Fall also verringert, und zwar um die Differenz der vor und hinter dem Rückschlagventil anstehenden Drücke. Das Rückschlagventil öffnet somit bei Start des Klimakompressors zu früh, sodass der Basisdruck nicht hinreichend aufgebaut werden kann.
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Aus der gattungsbildenden
WO 2007/54243 A1 ist ein Klimakompressor mit Rückschlagventil bekannt, der zusätzlich eine Druckbegrenzungs- und Druckdifferenz-Schutzvorrichtung vorsieht. Diese schützen den Kompressor und das nachgelagerte Klimasystem vor einem schädlichen Überdruck im Hochdruckbereich des Klimasystems bzw. vor einer schädlichen Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und dem hochdruckseitigen Bereich des Klimasystems. Die oben erläuterte Startproblematik des Klimakompressors in thermisch ungünstigen Fällen wird in der genannten Druckschrift nicht thematisiert.
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Aus der
DE 10 2009 004 333 A1 ist ein Klimakompressor bekannt, der in seiner bevorzugten Ausführungsform ein herkömmliches, federgetriebenes Rückschlagventil aufweist, jedoch als Alternativen druck- oder volumenstromabhängig geregelte Ventile, insbesondere Magnetventile offenbart, die bei sehr geringen Massenströmen, die einem Ausschalt-Zustand des Kompressors entsprechen sollen, sensorgeregelt schließen.
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Aus der
DE 10 2006 048 380 A1 ist ein Klimakompressor bekannt, dessen Regelventil, d. h. dasjenige Ventil, welches die Druckregelung zwischen Kurbelgehäuse und Druck-/Saugkammer übernimmt als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Klimakompressor derart weiterzubilden, dass die Startprobleme in ungünstigen thermischen Situationen reduziert werden.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Rückschlagventil mit einer Vorspannungserhöhungseinrichtung ausgestattet ist, die dem Ventilkörper eine zusätzliche Vorspannkraftkomponente aufprägt, wenn ein am hochdruckseitigen Port anstehender Druck kleiner ist als ein am niederdruckseitigen Port anstehender Druck.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Wesentliches Element der Erfindung ist es, dass sich die Vorspannkraft des Rückschlagventils aus wenigstens zwei Komponenten zusammensetzt, nämlich einer ersten federbasierten Kraftkomponente und einer zusätzlich von der Vorspannungserhöhungseinrichtung aufgeprägten Kraftkomponente. Letztere ist insbesondere dann größer als Null, wenn beispielsweise aufgrund ungünstiger thermischer Gegebenheiten eine Druckumkehr zwischen hoch- und niederdruckseitigem Port im Vergleich zum Normalbetrieb des Klimakompressors vorliegt.
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Die zusätzliche Vorspannkraftkomponente kann unterschiedlicher Natur und unabhängig von der federbasierten Vorspannkraftkomponente sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die zusätzliche Vorspannkraftkomponente eine zweite Feder-Vorspannkraftkomponente ist, die aus einer Verschiebung des Federwiderlagers resultiert. mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass Vorspannungserhöhungseinrichtung die Feder-Vorspannkraftkomponente durch Verschiebung des Federwiderlagers erhöht, wenn ein am hochdruckseitigen Port anstehender Druck kleiner ist als ein am niederdruckseitigen Port anstehender Druck.
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Bevorzugt ist die Vorspannungserhöhungseinrichtung derart ausgelegt, dass die zusätzliche Vorspannkomponente so groß ist, dass die Gesamtvorspannkraft des Rückschlagventils gleich der Feder-Vorspannkraftkomponente im Fall einer Druckgleichheit der am hoch- und am niederdruckseitigen Port anstehenden Drücke ist. Dies bedeutet, dass die Vorspannungserhöhungseinrichtung genau diejenige Kraft kompensiert, um die die Vorspannung des Rückschlagventils aufgrund der Druckumkehr an den Ports vermindert wird, wobei als Referenzsituation der Fall des völligen Druckausgleichs im Gesamtsystem dient. Die Federkraft kann somit in herkömmlicher Weise dimensioniert werden. Im Normalfall, d. h. wenn der Druck am hochdruckseitigen Port höher ist als der Druck am niederdruckseitigen Port, wirkt in herkömmlicher Weise die Feder-Vorspannkomponente. Dies gilt auch im Fall eines vollständigen Druckausgleichs. In dem besonders ungünstigen Fall der Druckumkehr, der im Fokus der vorliegenden Erfindung steht, wird die abgeschwächte Vorspannkraft gerade kompensiert, sodass die Kolben des Kompressors gegen denselben Widerstand wie im Normalfall anlaufen.
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Die konkrete Ausgestaltung der Vorspannungserhöhungseinrichtung kann unterschiedlich sein. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Feder mit ihrem dem Ventilkörper abgewandten Ende gegen eine elektromagnetische oder elektromotorische Stelleinheit abstützt, welche mit einer von der Druckdifferenz zwischen dem hoch- und dem niederdruckseitigen Port abhängigen Steuerung wirkverbunden ist. Die Position der Abstützstelle der Feder, d. h. des Federwiderlagers, und damit die Höhe der Vorspannkraft wird somit elektrisch gesteuert, bevorzugt geregelt. Hierzu können temperatur- und/oder druckempfindliche Sensoren vorgesehen sein, die die Druck- und/oder Temperaturverhältnisse im System erfassen und an die Steuerung melden, die ihrerseits die Stelleinrichtung entsprechend ansteuert. Bei dieser Variante lassen sich beliebig komplexe Abhängigkeiten realisieren; allerdings wird dies zu dem Preis erkauft, das eine dauernde Überwachung durch eine aktive Komponente erforderlich ist, was zu Mehrkosten führen kann.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Feder mit ihrem dem Ventilkörper angewandten Ende gegen einen Doppelkolben abstützt, der zwei hintereinander angeordnete, druckgetrennte Zylinderkammern derart durchsetzt, dass in den einzelnen Zylinderkammern anstehende Drücke antagonistisch auf den Doppelkolben wirken, wobei die der abgestützten Feder zugewandte Zylinderkammer mit dem niederdruckseitigen und die der abgestützten Feder abgewandte Zylinderkammer mit dem hochdruckseitigen Port druckverbunden ist. Es wird somit eine passive, mechanische Druckkompensation etabliert. Der Doppelkolben reagiert auf die Druckdifferenz zwischen hoch- und niederdruckseitigem Port. Steigender Druck am niederdruckseitigen Port im Verhältnis zum hochdruckseitigen Port führt zu einer Verschiebung des Doppelkolbens und damit des Federwiderlagers in Schließrichtung des Rückschlagventils. Auf den Ventilkörper wirken somit in Schließrichtung sowohl die Federkraft als auch die durch die Druckdifferenz bedingte, durch die Verschiebung des Federwiderlagers hervorgerufene zusätzliche Kraftkomponente. Im umgekehrten Fall wird die Feder entlastet; wobei die vollständige Entlastung als Referenz für den Normalbetrieb, d. h. den Fall, in dem „nur” die erste Feder-Vorspannkraftkomponente auf den Ventilkörper wirkt, herangezogen werden kann.
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Bei einer weiteren Alternativausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Feder mit ihrem dem Ventilkörper abgewandten Ende gegen einen Kolben eines ein temperatursensitiv expansions- und kontraktionsfähiges Thermomaterial enthaltenden Thermostatkopfes abstützt. Die Funktionsweise von Thermostatköpfen ist allgemein bekannt. Sie umfassen einen Kolben, der eine mit dem Thermomaterial, das beispielsweise ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein Festkörper sein kann, gefüllte Patrone abschließt. Expansion oder Kontraktion des Thermomaterials führt zu einer entsprechenden Bewegung des Kolbens und damit zu einer Verschiebung des Federwiderlagers. Die Vorspannfeder ist an dem Kolben abgestützt, sodass zusätzlich zu der Federkraft eine temperaturabhängige zusätzlich Vorspannkraft erzeugt wird. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kolben die Feder bei Expansion des Thermomaterials entlastet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Klimakompressors,
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2: eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Rückschlagventils,
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3: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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4: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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5: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Bauteile hin.
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1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung eines Klimakompressors 10 im eingebauten Zustand. Die dem Kompressor 10 zugerechneten Elemente sind innerhalb der gestrichelt dargestellten Systemgrenze 12 gezeichnet. Zentraler Bestandteil des Kompressors 10 ist das Kurbelgehäuse 14, in welchem die nicht dargestellten Kolben in bekannter Weise laufen, wobei ihr Hub von der Schrägstellung einer ebenfalls nicht dargestellten, angetriebenen Taumelscheibe gesteuert ist. Das Kurbelgehäuse steht mit einer Saugkammer 16 und einer Druckkammer 18 in Verbindung, wobei mittels eines Regelkreises, der ein Regelventil 20 sowie ein Drosselventil 22 umfasst, die Druckdifferenzen zwischen Kurbelgehäuse 14, Saugkammer 16 und Druckkammer 18 bei Betrieb so geregelt werden, dass sich die erforderliche Kippstellung der Taumelscheibe einstellt. Hierzu ist das Regelventil 20 mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden. Die Schnittstellen des Kompressors 10 zum übrigen Klimasystem werden durch den niederdruckseitigen Port 24 und den hochdruckseitigen Port 26 bereitgestellt. Der niederdruckseitige Port 24 ist mit dem Ausgang eines nicht dargestellten Verdampfers verbunden. Der hochdruckseitige Port 26 ist über einen nicht dargestellten Wärmetauscher mit dem Eingang des Verdampfers verbunden.
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Zwischen der Druckkammer 18 und dem hochdruckseitigen Port 26 ist ein Rückschlagventil 28 angeordnet, welches einen Ventilsitz 30 und einen Ventilkörper 32 umfasst, der von einer Vorspannfeder 34 entgegen. der bestimmungsgemäßen Strömungsrichtung von der Druckkammer zum hochdruckseitigen Port gegen den Ventilsitz vorgespannt wird.
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2 zeigt in schematischer Darstellung die übliche Bauweise des Rückschlagventils 28. Bei vollständigem Druckausgleich im System, d. h. im Fall, dass insbesondere die Drücke am hoch- und niederdruckseitigen Port sowie in der Saug- und der Druckkammer gleich sind, wirkt auf den Ventilkörper 32 ausschließlich die Kraft der Feder 34. Hinter dem Ventilkörper 32 herrscht der hochdruckseitige Systemdruck; vor dem Ventilkörper 32 herrscht (über die Saug- und die Druckkammer) der niederdruckseitige Systemdruck, die sich im Fall der Druckgleichheit ausgleichen. Im Fall ungünstiger thermischer Verhältnisse zu denen es im Fall einer lokalen Aufheizung des Innenraumes und damit des Verdampfers kommen kann, erhöht sich insbesondere die Temperatur am Verdampferausgang und somit am niederdruckseitigen Port sowie in Saug- und Druckkammer. Der hochdruckseitige Systembereich ist hiervor jedoch nicht betroffen. Er befindet nicht im Innenraum, sondern unter der durchlüfteten Motorhaube des Kraftfahrzeugs zwischen dem Rückschlagventil 28 und dem Eingang des Verdampfers, sodass sein Druck nicht, zumindest nicht in gleichem Maße ansteigt. Folglich ist er niedriger als die übrigen Drücke im System, sodass die auf den Ventilkörper 32 wirkende Gesamtkraft kleiner ist als die Kraft der Feder 34. Wie eingangs erläutert, führt eine solche Konstellation zu erheblichen Startschwierigkeiten des Klimakompressors.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei stützt sich die Vorspannfeder 34 gegen den Stößel 36 eines Elektromagneten 38 ab. In Fällen, in denen eine nicht näher dargestellte Steuerung ungünstige Druck- bzw. Temperaturverhältnisse sensiert, kann der Elektromagnet 38 durch entsprechende Bestromung kompensatorisch angeregt werden, d. h. der Stößel 36 wird auf den Ventilkörper 32 zu verschoben, sodass die Feder 34 eine zusätzliche Kompression erfährt und auf den Ventilkörper 32 eine erhöhte Vorspannkraft wirkt.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier stützt sich die Feder 34 gegen einen Doppelkolben 40 ab. Der Doppelkolben 40 durchsetzt eine Niederdruck-Druckkammer 42 und eine Hochdruck-Druckkammer 44. Diese Bezeichnungen beziehen sich nicht zwangsläufig auf die in den Kammern 42, 44 herrschenden Drücke, sondern vielmehr auf ihre pneumatische Verbindung mit den entsprechenden Ports, was in 4 mit Pfeilen angedeutet ist. Insbesondere ist die Niederdruck-Druckkammer 42 pneumatisch mit dem niederdruckseitigen Port 24 verbunden und die Hochdruck-Druckkammer 44 ist mit dem hochdruckseitigen Port 26 verbunden. Die Position des Doppelkolbens 40 hängt somit von der Druckdifferenz zwischen dem hoch- und dem niederdruckseitigen Port 24, 26 ab. Entsprechend hängt die Abstützstelle der Feder 34, d. h. das Federwiderlager, ebenfalls von dieser Druckdifferenz ab. Bei der dargestellten Anordnung führt ein Überdruck am niederdruckseitigen Port 24 im Vergleich zum hochdruckseitigen Port 26 zu einer Verschiebung des Doppelkolbens 40 auf den Ventilkörper 32 zu. Hierdurch wird die Vorspannkraft der Feder 34 verstärkt. Im umgekehrten, d. h. im Normalfall, wenn in der Hochdruck-Druckkammer 44 ein höherer Druck herrscht als in der Niederdruck-Druckkammer 42 verschiebt sich der Doppelkolben 40 vom Ventilkörper 32 weg und entlastet die Feder 34. Insbesondere kann die Maximalverschiebung des Doppelkolbens 40 in dieser Richtung (nach rechts in 4), d. h. die maximale Entlastung der Feder 34, als Referenz-Vorspannkraft für den Ventilkörper 32 dienen.
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5 schließlich zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier stützt sich die Feder 34 gegen den Kolben 46 eines Thermostatkopfes 48 ab. Der Kolben 46 schließt eine Thermomaterial-Patrone 50, insbesondere eine gasgefüllte Kammer druckdicht ab. Im Normalbetrieb, wenn der Thermokopf von dem durch die Kompression im Kompressor erwärmten Kältemittel umströmt wird, hat die Gasfüllung in der Patrone 50 eine hohe Temperatur. Dieser Zustand markiert den Normalbetrieb. In diesem Zustand ist das Gas in der Kammer 50 maximal ausgedehnt, sodass der Kolben 46 maximal nach (in 5) rechts verschoben und die Feder 34 maximal entlastet ist. Im Ruhezustand kühlt das Gas auf Raumtemperatur ab, sodass der Kolben 46 nach (in 5) links verschoben und die Vorspannkraft des Ventilkörpers 32 erhöht wird. Dies gilt auch in dem oben mehrfach beschriebenen thermisch ungünstigen Zustand einer lokalen Erwärmung des Fahrzeuginnenraums, von der der Verdampfer, nicht jedoch der Klimakompressor und damit der Thermokopf betroffen sind. Folglich vermeidet diese Ausführungsform die im Zusammenhang mit 2 beschriebene Verminderung der Vorspannkraft bei Druckumkehr am hoch- und niederdruckseitigen Port.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die spezielle Auslegung und Dimensionierung der einzelnen Bauteile dem Fachmann in Ansehung des jeweiligen Einzelfalls überlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Klimakompressor
- 12
- Systemgrenze
- 14
- Kurbelgehäuse
- 16
- Saugkammer
- 18
- Druckkammer
- 20
- Regelventil
- 22
- Drosselventil
- 24
- niederdruckseitiger Port
- 26
- hochdruckseitiger Port
- 28
- Rückschlagventil
- 30
- Ventilsitz
- 32
- Ventilkörper
- 34
- Vorspannfeder
- 36
- Stößel
- 38
- Elektromagnet
- 40
- Doppelkolben
- 42
- Niederdruck-Druckkammer
- 44
- Hochdruck-Druckkammer
- 46
- Kolben
- 48
- Thermostatkopf
- 50
- Thermamaterial-Patrone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/054243 A1 [0002]
- WO 2007/54243 A1 [0006]
- DE 102009004333 A1 [0007]
- DE 102006048380 A1 [0008]
