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Die Erfindung betrifft einen R 744-Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage zum Ansaugen und Verdichten von in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden CO2-Kältemittel (R 744-Kältemittel), wobei der R 744-Kompressor entweder mechanisch oder elektrisch angetrieben wird.
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Die in Kfz-Klimaanlagen zum Ansaugen und Verdichten von CO2-Kältemittel eingesetzten Kompressoren weisen üblicherweise eine Antriebswelle für eine Taumelscheibe (Schrägscheibe) auf, die wenigstens einen in einem Zylinder verschiebbar gehaltenen Kolben zum Ansaugen und Verdichten von CO2-Kältemittel beaufschlagt. Die Antriebswelle kann dabei über eine Riemenscheibe und einen Keilriemen an den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekoppelt oder mit einem im oder am Kompressorgehäuse angeordneten drehzahlgeregelten Elektromotor verbunden sein. Bei der ersten, mechanischen Antriebsweise ist die Umdrehungszahl der Antriebswelle proportional der Drehzahl des Verbrennungsmotors, so daß die Regelung der Leistung des Kompressors über eine Neigungsänderung der Taumelscheibe erfolgt. Bei der elektrischen Antriebsweise erfolgt die Leistungsregelung über eine Drehzahlregelung des Elektromotors. Eine Verstellung der Taumelscheibe ist somit nicht notwendig, so daß diese mit einem nicht veränderbaren Neigungswinkel mit der Antriebswelle fest verbunden ist.
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Der Kompressor wird bei den beiden Antriebsarten auf unterschiedliche Weise von dem CO
2-Kältemittel durchströmt, wobei es jedoch bei beiden Kompressorarten unvermeidlich ist, daß Öl in den CO
2-Kältemittel-Kreislauf gelangt, das für die Schmierung der beweglichen Teile im Kompressor bestimmt ist. Um dieses Öl aus dem Kreislauf zu entfernen und wieder an die beweglichen Teile zurückzuführen, ist es bekannt, auf der Hochdruckseite einen in Kreislaufrichtung dem Kompressorausgang nachgeschalteten Ölabscheider im Kältemittel-Kreislauf anzuordnen, der über eine Ölrückführleitung mit dem Kurbelgehäuseraum des Kompressors verbunden ist. Das durch diesen Ölabscheider aus dem CO
2-Kältemittelstrom abgschiedene Öl wird durch die Ölrückführleitung in den Kurbelgehäuseraum des Kompressors zur Schmierung der bewegten Teile zurückgeführt. Eine derartiger externer Ölabscheider ist beispielsweise in einer in der
EP 0 742 116 B1 beschriebenen Fahrzeug-Klimaanlage vorhanden.
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Weitere Ausgestaltungen von Ölabscheidern für Kompressoren für Fahrzeugklimaanlagen sind aus den Druckschriften
US 6,129,532 ;
DE 199 54 570 A1 und
EP 1 162 371 A1 bekannt, wobei diese mechanisch angetriebene Kompressoren offenbaren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen R 744-Kompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß die Ölrückführung aus dem CO2-Kältemittel vereinfacht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem R 744-Kompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die Erfindung besteht darin, daß ein einem R744-Kompressor im CO2-Kältemittel-Kreislauf zugeordneter Ölabscheider zur Rückführung von vom Kältemittel R 744 (CO2-Kältemittel) aufgenommenem Öl und zur Sicherstellung der Ölschmierung der im Kurbelgehäuseraum des Kompressors angeordneten bewegten Teile auf der Ausgangsseite des Kompressors in das Kompressorgehäuse integriert ist, wobei die Ausgangsseite des Ölabscheiders zur Ölrückführung mit dem Kurbelgehäuseraum des Kompressors so verbunden ist, dass die Antriebswelle einseitig mit einem regelbaren Elektromotor verbunden und der Eingang für das CO2-Kältemittel in der, dem Gehäusedeckel gegenüber liegenden, Stirnwandung des Kompressorgehäuses angeordnet ist. Somit ist unter dem Elektromotor am Boden des Kompressorgehäuses ein Ölsumpf, über den das CO2-Kältemittelgeführt wird. In einer Zwischenwandung zum Niederdruckraum Durchführungen und im Zylinderblock mit dem Saugraum verbundene Kanäle ausgebildet, durch die das CO2-Kältemittel angesaugt wird, wobei an deren Eingang Hülsenölabschneider angeordnet sind. Damit erübrigt sich vorteilhaft ein externer Ölabscheider, so daß sich die Anzahl der Bauteile in der Klimaanlage reduziert. Das Öl wird auf kürzestem Wege zu den bewegten Teilen und den Lagerstellen im Kompressor zurückgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Kompressor mit einem ausgangsseitig an diesem angeordneten Gehäusedeckel versehen, der einen ringförmigen Saugraum für das zu verdichtende CO2-Kältemittel und einen Hochdruckraum für das verdichtete CO2-Kältemittel aufweist, wobei der Hochdruckraum den Ölabscheider beherbergt. In den Zylindern des Kompressors verdichtetes CO2-Kältemittel wird über ein Auslaßventil in den Hochdruckraum und damit auch direkt in den Ölabscheider und in den Kältemittel-Kreislauf in Richtung auf einen Gaskühler zu gedrückt: Dabei wird vom Kältemittel mitgenommenes Öl von diesem getrennt und am Ausgang des Ölabscheiders in einen im wesentlichen in axialer Richtung ausgebildeten Rückführungskanal im Gehäusedeckel geleitet, durch den es tröpfchenweise in den Kompressor zurückgeführt wird, wobei das Öl durch den zwischen dem Hochdruckraum im Gehäusedeckel und dem Kurbelgehäuseraum mit den bewegten Teilen des Kompressors gegebenen Druckunterschied in diesen zurückgefördert wird. Damit ist das CO2-Kältemittel am Ausgang des Kompressors weitestgehend ölfrei, und der Wirkungsgrad der Klimaanlage wird durch im Kältemittel mitgeführtes Öl nicht verringert.
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Ist der R 744-Kompressor ein elektrischer Kompressor mit einem im Kompressorgehäuse angeordneten Elektromotor, bei dem das CO2-Kältemittel durch die elektromotorseitige Stirnwandung eingelassen wird und anschließend das Kompressorgehäuse über Durchgangsbohrungen bis zum Gehäusedeckel mit dem Saugraum und dem Hochdruckraum mit dem Ölabscheider durchdringt, um dann hochverdichtet aus dem Kompressor in den Kältemittelkreislauf gedrückt zu werden, kann die Ölabscheidung weitgehend schon im Kompressorgehäuse vorgenommen werden. Dazu ist der Boden des Kompressorgehäuses unter dem Elektromotor so ausgebildet, daß sich dort infolge der Schwerkraft des mit dem CO2-Kältemittel vermengten Öls ein Ölsumpf bildet. Der Boden ist im Bereich des sich bildenden Ölsumpfes mit in axialer Richtung ausgebildeten langgestreckten Vertiefungen versehen, in denen sich abgeschiedenes Öl sammeln kann. Über diesen Ölsumpf wird ein Teil des Kältemittelstromes angesaugt und mit Ölpartikelchen angereichert, die dann mit dem Kältemittelstrom über Durchgangsbohrungen in einer Zwischenwandung in das Kurbelgehäuse des Kompressors und dort zu den bewegten Teilen gelangen. Über Durchgangsbohrungen im Zylinderblock des Kompressors, die mit dem Saugraum im Gehäusedeckel verbunden sind, wird das CO2-Kältemittel in den Saugraum und von dort in die einzelnen Zylinder gesaugt und anschließend verdichtet. Am Eingang zu den im Zylinderblock angeordneten Durchgangsbohrungen ist jeweils ein sog. Hülsenölabscheider angeordnet, an dem ebenfalls Öl vom Kältemittelstrom abgetrennt und wieder verwirbelt und an die zu schmierenden Teile verbracht wird. Der Ölrest, der bei der Verdichtung des CO2-Kältemittels noch vorhanden ist, wird dann im wesentlichen in dem im Hochdruckraum angeordneten Ölabscheider abgetrennt und infolge der zwischen dem Kurbelgehäuseraum des Kompressors und dem Hochdruckraum bestehenden Druckdifferenz wieder in das Kompressorgehäuse zurückgesaugt, wobei auch eine Antriebswelle mit einer axialen Bohrung zum Öltransport eingesetzt werden kann. Somit wird in drei Bereichen des Kompressors Öl abgeschieden, wodurch die Ölabscheidung optimiert ist.
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Die Anordnung von insbesondere langgestreckten Vertiefungen im Boden des Kompressorgehäuses, über die das CO2-Kältemittel gesaugt wird, hat überdies den Vorteil, daß die in diesem Bereich angeordnete Leistungselektronik gekühlt wird.
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Als Hülsen-Ölabscheider werden Hülsen eingesetzt, deren eine Öffnung von einem zweidimensionalen Drahtgeflecht überspannt ist. Der im Hochdruckraum des Gehäusedeckels angeordnete Ölabscheider ist ein dreidimensionaler Drahtverbund.
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Der zuvor beschriebene im Gehäusedeckel ausgebildete und in axialer Richtung verlaufende Rückführungskanal kann vorteilhaft mit einer im Zylinderblock des Kompressors angeordneten Durchführung zu einem Hohlraum korrespondieren, in dem die Antriebswelle für eine Taumelscheibe (Schrägscheibe) mit ihrem gehäusedeckelseitigen Ende gelagert ist, so daß die Antriebswellenlager direkt mit Öl versorgt werden. Damit das Öl auch die am anderen Ende der Antriebswelle angeordneten Lagerstellen und alle anderen bewegten Teile auf einfache Weise und auf kürzestem Wege erreichen kann, kann die Antriebswelle mit einer axialen Bohrung und von dieser ausgehenden radialen Bohrungen versehen sein, die wiederum mit dem Kurbelgehäuseraum des Kompressors verbunden sind. Von diesem aus werden insbesondere auch die im Zylinderblock axial bewegbar angeordneten Hubkolben geschmiert. Zur Verbesserung deren Schmierung können diese jeweils eine Nut in ihrer Kolbenlauffläche aufweisen, die spiralförmig ausgebildet oder in einem spitzen Winkel zu deren Achse verläuft.
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Über den Durchmesser der axialen Wellenbohrung kann der Ölkreislauf optimiert und in Abhängigkeit von der zu erwartenden Leistung des Kompressors an die zur Schmierung erforderliche Ölmenge angepaßt werden. Damit nun nicht eine Vielzahl von Antriebswellen mit unterschiedlichem Bohrungsdurchmesser bei Kompressoren unterschiedlicher Leistung zum Einsatz kommen muß, kann eine Einheits-Antriebswelle mit einem bestimmten Bohrungsdurchmesser zum Einsatz kommen, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Kompressor am Eingang ihrer Bohrung mit einer Blende versehen wird, die den Öffnungsquerschnitt der Bohrung verringert. Auf einfache Weise kann diese Blende in eine stirnseitige Ausnehmung an der Antriebswelle eingebracht und mit dieser verschraubt werden.
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Alternativ zur vorbeschriebenen Ölrückführung kann diese unter Umgehung des im Kompressorgehäuse angeordneten Zylinderblockes über einen im Gehäusedeckel in radialer Richtung ausgebildeten Öl-Auslaßkanal und eine sich anschließende Ölleitung mit einem elektrisch regelbaren 2- oder 3-Wegeventil vorgenommen sein, wobei der sich an dieses Ventil anschließende Ölleitungsabschnitt direkt mit dem Kurbelgehäuseraum verbunden ist. Dabei ist die Ölleitung mit dem Ventil an der Außenseite des Kompressorgehäuses angeordnet. Auch bei dieser Ölrückführung wirkt die Druckdifferenz zwischen dem Kurbelgehäuseraum und dem Hochdruckraum als Antrieb für den Ölfluß. Dabei kann zur Regelung der Druckdifferenz eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Saugraum des Gehäusedeckels und dem Ventil geschaffen sein, wozu dann ein 3-Wegeventil verwendet wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: einen Kompressor mit elektrischem Antrieb in einem Vertikalschnitt mit einem im Gehäusedeckel angeordneten Ölabscheider und einer Ölrückführung, stark vereinfacht,
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2: einen Querschnitt durch diesen im Bereich des Elektromotors,
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3: einen Kompressor mit mechanischem Antrieb in einem Vertikalschnitt mit einem im Gehäusedeckel angeordneten Ölabscheider und einer Ölrückführung,
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4: eine Antriebswelle für einen Kompressor mit axialer Bohrung und Blende im Schnitt und
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5: eine Hubkolbenausführung.
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Der in den 1 und 2 weitgehend schematisch dargestellte elektrisch betriebene Kompressor weist im wesentlichen ein Kompressorgehäuse 31, einen über die Ansteuerfrequenz regelbaren Elektromotor 32, eine mit diesem verbundene Antriebswelle 33, einen Kurbelgehäuseraum 34 für eine an der Antriebswelle 33 drehfest angeordnete Schrägscheibe 35 vorbestimmter Neigung, einen Zylinderblock 36 mit mehreren Kompressionszylindern 37 mit in diesen angeordneten und mit der Schrägscheibe 35 wirkverbundenen Hubkolben 38, eine Ventilplatte 39 und einen Gehäusedeckel 40 auf. Dieser (40) ist ebenso aufgebaut wie bei dem vorbeschriebenen mechanisch angetriebenem Kompressor und beherbergt auch einen Ölabscheider 41.
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Bei diesem Kompressor ist der Eingang für das CO2-Kältemittel in der dem Gehäusedeckel 40 gegenüberliegenden Stirnwandung angeordnet. Der Ölpartikelchen mitführende CO2-Kältemittelstrom wird beim Betrieb des Kompressors durch das Kompressorgehäuse 31 in den Saugraum 11 gesaugt. Dabei passiert er mehrere Bereiche. Am Boden des Kompressorgehäuses 31 im Bereich des Elektromotors 32 sind unter diesem (32) langgestreckte, wannenartige Vertiefungen 42 für in diesem Bereich abgeschiedenes und einen Ölsumpf S bildendes Öl ausgebildet, die zugleich als Leiteinrichtung für den CO2-Kältemittelstrom zum Saugraum 11 und von diesem zu den Kompressionszylindern 37 dienen. Der Kältemittelstrom nimmt Ölpartikelchen aus diesem Ölsumpf S mit und wird über Durchführungen 44 in der zwischen dem Anordnungsraum für den Elektromotor 32 und dem Niederdruckraum 34 (Kurbelgehäuse) ausgebildeten Zwischenwandung 43 durch diesen (34) gesaugt und gelangt dort auch zu den in diesem befindlichen und sich bewegenden Teilen, wie die Schrägscheibe 35, die an dieser gelagerten Hubkolben 38 und die Lager der Antriebswelle 33 (nicht weiter gekennzeichnet), die durch das mitgeführte Öl geschmiert werden. Aus dem Kurbelgehäuseraum 34 wird der CO2-Kältemittelstrom durch in den Zylinderblock 36 eingebrachte Durchführungskanäle 45 in den Saugraum 11 gesaugt, wobei am Eingang der Durchführungskanäle 45 Hülsenölabscheider 46 angeordnet sind, die einen Teil des im angesaugten CO2-Kältemittelstromes mitgeführten Öls im Kurbelgehäuseraum 34 zurückhalten. Vom Saugraum 11 aus gelangt das CO2-Kältemittel in die Kompressionszylinder 37 und wird in diesen wie beim Kompressor nach 1 oder 3 verdichtet und einem Kondensator zugeführt. Das noch nicht abgeschiedene Öl wird im wesentlichen durch den Ölabscheider 41 abgeschieden und wird wieder in das Kompressorgehäuse zurückgeführt, wobei auch wieder eine Antriebswelle mit einer axialen Bohrung eingesetzt werden kann. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist auch, daß die unter den Vertiefungen 42 am Kompressorgehäuse 31 angeordnete Leistungselektronik 47 zur Steuerung des Elektromotors 32 und Regelung des Kompressors durch den CO2-Kältemittelstrom gekühlt wird.
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Zur Unterstützung der Ölrückführung aus dem Ölsumpf in den Kurbelgehäuseraum und den in diesem angeordneten bewegten Teilen kann in Verbindung mit einer Antriebswelle, die eine axiale Bohrung und im Bereich des Kurbelgehäuses ausgebildete radiale Bohrungen aufweist, eine Ölpumpe eingesetzt werden. Diese wird an der Antriebswelle im Bereich des Ölsumpfes montiert und saugt über eine radiale Bohrung Öl aus dem Ölsumpf in die axiale Bohrung und drückt dieses durch diese Bohrung und die im Bereich des Kurbelgehäuseraumes angeordneten radialen Bohrungen in den Kurbelgehäuseraum. Die Anordnung einer solchen Ölpumpe empfiehlt sich insbesondere bei einem vertikal angeordneten Kompressor.
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Der in 3 gezeigte mechanisch über eine Riemenscheibe (nicht dargestellt) angetriebene R 744-Kompressor zum Verdichten von CO2-Kältemittel weist im wesentlichen ein Kompressorgehäuse 1, eine über eine Paßfeder 2 mit einer nicht dargestellten Riemenscheibe drehfest verbundene Antriebswelle 3, einen Niederdruckraum 4 für eine an der Antriebswelle 3 drehfest und in ihrer Neigung verstellbar angeordnete (Taumel-)Schrägscheibe 5, einen Zylinderblock 6 mit mehreren Kompressionszylindern 7, in diesen angeordnete und mit der Schrägscheibe 5 wirkverbundene Hubkolben 8, eine Ventilplatte 9 und an der der Riemenscheibe abgewandten Stirnseite, zugleich Ausgangsseite des Kompressors, einen Gehäusedeckel 10 auf. In diesem (10) befindet sich ein ringförmiger, koaxial angeordneter Saugraum 11, ein von diesem umschlossener Hochdruckraum 12 und in diesem ein aus einem dreidimensionalen Drahtverbund gebildeter Ölabscheider 13. Die Ventilplatte 9 weist für jeden Kompressionszylinder 7 eine Ansaugöffnung 14 und eine Auslaßöffnung 15 auf, wobei die Ansaugöffnungen 14 jeweils über ein nicht dargestelltes Ansaugventil mit dem Saugraum 11 und die Auslaßöffnungen 15 jeweils über ein Auslaßventil 16 mit dem Hochdruckraum 12 verbunden sind.
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Die Antriebswelle 3 ist mit einem Radiallager 16 am Zylinderblock 6 und einem Radiallager 17 am Kompressorgehäuse 1 drehbar gelagert sowie mit einem an der Ventilplatte 9 durch eine Druckfeder 18 in axialer Richtung beaufschlagten und am Zylinderblock 7 anliegenden Axiallager 19 und einem am Kompressorgehäuse 1 gehalterten Axiallager 20 in axialer Richtung abgestützt und weist zur Ölrückführung eine zentrale Bohrung 21 und im Bereich ihrer antriebseitigen Lagerung zwei radiale Bohrungen 22 auf. Überdies ist sie gehäusedeckelseitig am Eingang der Bohrung 21 mit einer Blende B versehen. In 4 und der Einzelheit X ist diese (B) deutlicher dargestellt.
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Die Blende B weist eine Bohrung BB mit einem kleineren Bohrungsdurchmesser als die Bohrung 22 zur Reduzierung des Öldurchflusses auf. An der Unterseite des Hochdruckraumes 12 und damit auch unter dem Ölabscheider 13 ist ein hochdruckraumseitig offener Rückführungskanal 23 zum Auffangen und zur Rückführung abgeschiedenen Öls ausgebildet, der über eine in der Ventilplatte 9 angeordnete Bohrung 24 und eine Durchführung 25 im Zylinderblock 6 mit dessen Innenraum 26 verbunden ist.
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Beim Betrieb der Klimaanlage wird das in dieser zirkulierende CO2-Kältemittel, das Ölpartikelchen mit sich führt, durch die angetriebenen Hubkolben 8 in den Saugraum 11 und von diesem nacheinander über das jeweilige Ansaugventil und die Ansaugöffnung 14 in den jeweiligen Kompressionszylinder 7 gesaugt, dort verdichtet und über die Auslaßöffnung 15 und das Auslaßventil 16 in den Hochdruckraum 12 und durch den Ölabscheider 13 in die mit dem Kompressor verbundene und zu einem Kondensator führende Hochdruckleitung (nicht dargestellt) gedrückt. Im Ölabscheider 13 wird im CO2-Kältemittel mitgeführtes und zusätzlich in den Kompressionszylindern 7 aufgenommenes Öl, das sich als Ölfilm zur Schmierung der Hubkolben 8 an den Zylinderwänden befindet, tröpfchenweise weitgehend abgeschieden. Das abgeschiedene Öl sammelt sich in dem an der Unterseite des Hochdruckraumes 12 angeordneten Ölrückführungskanal 23 und wird durch die zwischen dem Kurbelgehäuseraum 4 und dem Hochdruckraum 12 gegebene Druckdifferenz über die Bohrung 24 und die Durchführung 25 in den Innenraum 26 des Zylinderblocks 6 gesaugt. Dort gelangt es zu den Lagern 16 und 19 und in die Bohrung 21, über diese und die Bohrungen 22 zu den Lagern 17 und 20 und in den Kurbelgehäuseraum 4 und zu den in diesem angeordneten bewegten Teilen, so auch an die Hubkolben 8 und in die Kompressionszylinder 7, wo es gehäusedeckelseitig zum Teil wieder abgesaugt und in den Hochdruckraum 12 gedrückt wird. Das dort im Ölabscheider 13 nicht abgeschiedene Öl gelangt mit dem CO2-Kältemittel wieder in den Kältemittelkreislauf, über den es auch wieder zum Saugraum 11 gelangt.
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Zur Verbesserung der Schmierung der Hubkolben 8 können diese an ihrer Mantel- bzw. Kolbenlauffläche eine gegenüber deren Achse schräg angeordnete Nut N aufweisen, die sich vom schrägscheibenseitigen Ende des Hubkolbens 8 bis in den vorderen Kolbenbereich erstreckt. Durch diese spiralförmig ausgebildete Nut wird das Öl erleichtert in den jeweiligen Kompressionszylinder 7 gebracht. 5 zeigt einen solchen Hubkolben 8.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kompressorgehäuse
- 2
- Paßfeder
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Kurbelgehäuseraum
- 5
- Schrägscheibe
- 6
- Zylinderblock
- 7
- Kompressionszylinder
- 8
- Hubkolben
- 9
- Ventilplatte
- 10
- Gehäusedeckel
- 11
- Saugraum
- 12
- Hochdruckraum
- 13
- Ölabscheider
- 14
- Ansaugöffnung
- 15
- Auslaßöffnung
- 16
- Auslaßventil
- 17
- Radiallager
- 18
- Druckfeder
- 19
- Axiallager
- 20
- Axiallager
- 21
- Bohrung
- 22
- Bohrung
- 23
- Rückführungskanal
- 24
- Bohrung
- 25
- Durchführung
- 26
- Innenraum
- 27
- 2-Wege-Ventil
- 28
- Ölrückführungsleitung
- 29
- 3-Wege-Ventil
- 30
- Leitung
- 31
- Kompressorgehäuse
- 32
- Elektromotor
- 33
- Antriebswelle
- 34
- Kurbelgehäuseraum
- 35
- Schrägscheibe
- 36
- Zylinderblock
- 37
- Kompressionszylinder
- 38
- Hubkolben
- 39
- Ventilplatte
- 40
- Gehäusedeckel
- 41
- Ölabscheider
- 42
- Vertiefung
- 43
- Zwischenwandung
- 44
- Durchführung
- 45
- Durchführungskanal
- 46
- Hülsenölabscheider
- 47
- Leistungselektronik
- B
- Blende
- BB
- Bohrung
- K
- Rückführungskanal
- N
- Nut
- S
- Ölsumpf
