-
Die Erfindung betrifft einen Kompressor für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem
geschlossenen Kältemittelkreislauf, insbesondere mit Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel
(R744-Kältemittel), mit einem an den Ausgang des Kompressors angeschlossenen
Hochdruckabschnitt mit einem Kondensator, mit einem an die Eingangsseite des
Kompressors angeschlossenen Niederdruckabschnitt mit einem Verdampfer und einem
zwischen diesen angeordneten Expansionsventil.
-
In Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit CO2 als einem umweltfreundlichen Kältemittel finden
häufig Taumelscheiben-Kompressoren zur Kompression des von einem Verdampfer
kommenden Kältemittels Anwendung, die das komprimierte, gasförmige CO2 einem
Kondensator zuführen. Diese Kompressoren sind üblicherweise so aufgebaut, daß die
Antriebswelle, an der auch die Taumelscheibe schwenkbar angeordnet ist, durch das
Gehäuse des Kompressors hindurchtritt und mittels eines Keilriemens an den
Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Somit ist die Umdrehungszahl der
Antriebswelle durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmt. Die Leistung des
Kompressors wird dabei über den Neigungswinkel der Taumelscheibe und damit über
den Hub der mit dieser verbundenen Kolben geregelt, was wiederum über den Druck im
Triebraum des Kompressors erfolgen kann. Die EP 0 978 652 A2 beschreibt einen
Taumelscheiben-Kompressor, der wahlweise über einen Elektromotor oder über den
Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben werden kann. Auch bei diesem
Kompressor tritt die Antriebswelle durch dessen Gehäuse hindurch. Der Nachteil einer
durch das Gehäuse geführten Antriebswelle besteht darin, daß diese gegenüber dem
Gehäuse aufwendig abgedichtet werden muß, um das im Gehäuse vorhandene CO2-Öl-
Gemisch zurückzuhalten.
-
Die Kälteleistung der Klimaanlage ist von der Außentemperatur und von der
gewünschten Abkühlung abhängig und kann über einen
leistungsanforderungsabhängigen, optimalen Hochdruck optimiert werden. Dabei wird
angestrebt, die Klimaanlage in jedem Betriebszustand mit dem Hochdruck zu betreiben,
in welchem das Optimum der Kälteleistung und das Optimum der Leistungszahl liegt.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß dessen Struktur
aufwandsreduziert ist.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Kompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch
dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen aufgeführt.
-
Die Erfindung besteht darin, daß der Antrieb für einen in dem Kompressionsraum des
Kompressors angeordneten hin- und herbewegbaren Hubkolben ein Hin- und
Herbewegungen ausführender Linearmotor mit veränderbarer Ansteuerfrequenz ist,
wobei der Hubkolben an der kompressionsraumseitigen Stirnseite des Reaktionsteils des
Linearmotors ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführung sind das dem
Kompressionsraum zugeordnete Ansaugventil und das Auslaßventil direkt in dessen
Wandung angeordnet. Diese Ventile können alternativ dazu jedoch auch in einer Vor-
oder Nebenkammer angeordnet sein. Die Ansteuerfrequenz des Linearmotors und damit
dessen Hubzahl je Zeiteinheit kann dabei elektronisch schnell und genau geregelt und an
die Anforderungen an die Kälte- bzw. Wärmeleistung angepaßt werden.
-
Ein derartiger Kompressor ist einfach aufgebaut, besteht aus nur wenigen Bauteilen und
ist kleinbauend. Lagerungs-, Schmierungs- und Dichtungsprobleme, insbesondere
verursacht durch eine Antriebswelle, die aus dem Kompressorgehäuse geführt ist, treten
nicht auf. Überdies ist das Druckniveau auf der Hochdruckseite absolut und relativ zur
Niederdruckseite erheblich höher, so daß auch die Druckverhältnisse höher sind und im
wesentlichen im Bereich zwischen 3/1 und 4/1 liegen. Auf der Hochdruckseite kann das
Druckniveau etwa zwischen 80 und 160 bar und auf der Niederdruckseite etwa zwischen
20 und 60 bar liegen. Der Kompressor ist über die Ansteuerfrequenz des Linearmotors
stufenlos regelbar, wobei eine Veränderung der Ansteuerfrequenz mit einer Veränderung
der Hubzahl pro Zeiteinheit einhergeht, durch die wiederum die Kälteleistung der
Klimaanlage verändert wird. Die Regelung der Ansteuerfrequenz kann auf einfache
Weise schnell und genau elektronisch erfolgen.
-
Bei Ausbildung nur eines Kompressionsraumes im Kompressorgehäuse kann das
Reaktionsteil an seiner kompressionsraumseitigen Stirnseite - und damit auch der
Hubkolben - über eine Druckfeder am Kompressorgehäuse abgestützt sein. Diese
Druckfeder würde dann einen Arbeitstakt des Linearmotors übernehmen, und somit
könnten sowohl die Ansteuerung als auch die Bauweise des Linearmotors vereinfacht
werden. Die Rückwärtsbewegung des Reaktionsteiles (Hubkolbens) wird dann durch
Freisetzen der Federkraft der bei der Hinbewegung desselben unter Energieaufnahme
gespannten Druckfeder verursacht.
-
Durch eine sog. Doppelhubbauweise kann eine Leistungssteigerung (-verdoppelung)
erreicht oder der Linearmotor kann mit verminderter Ansteuerfrequenz betrieben werden,
indem ein Arbeitshub bei gleicher Hubzahl/je Zeiteinheit eingespart wird, ohne daß der
Massenstrom verringert wird. Dieser wird sowohl beim Hin- als auch beim Herbewegen
des Hubkolbens gefördert. Die damit verbundene Erhöhung der Pulsfrequenz ist insofern
von Vorteil, daß Druckspitzen vermieden werden und die Druckpulsationen in den
Kältemittelleitungen geringer sind. Eine Doppelhubbauweise kann realisiert werden,
indem beidseits des Linearmotors ein Kompressionsraum mit jeweils einem Ansaug- und
einem Auslaßventil angeordnet wird, mit dem der Linearmotor mit jeweils einem
Hubkolben in Wirkverbindung steht, derart, daß eine oszillierende Bewegung desselben
mit einem wechselseitigen synchronen Ansaugen und Ausstoßen des CO2-Kältemittels
verbunden ist. Die Doppelhubbauweise kann aber auch dadurch realisiert werden, daß
beidseits des Hubkolbens ein Kompressionsraum ausgebildet ist, derart, daß ein
Kompressionsraum in der Bewegungsrichtung des Hubkolbens vor und der andere hinter
dem Hubkolben ausgebildet ist und beide Kompressionsräume mit einem Ansaug- und
einem Auslaßventil versehen sind. Bei beiden alternativen Lösungen in
Doppelhubbauweise sind die zu den Ansaug- und zu den Auslaßventilen führenden
Kältemittelleitungen außerhalb des Kompressors zusammengeführt und in den
Kältemittelkreislauf eingebunden.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführung wird darin gesehen, daß in einem Kompressor
mehrere parallelgeschaltete Linearmotoren und Kompressionsräume angeordnet sind.
Auch dabei ist eine Doppelhubbauweise möglich. Mit einem derartigen Kompressor kann
jegliche Anforderung an die Kälte- bzw. Wärmeleistung einer Klimaanlage erfüllt werden,
so daß eine derartige Ausführung insbesondere bei Fahrzeugen mit großem Kälte- bzw.
Wärmebedarf verwendet werden kann. Hierbei ist es von besonderem Vorteil -
eingeschlossen die Doppelhubbauweise - wenn ein Linearmotor, ein Kompressionsraum
und ein diesem zugeordneter Hubkolben ein Modul bilden und mehrere Module
baukastenartig zusammengefügt sind.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den
zugehörigen Zeichnungen zeigen, weitgehend schematisch:
-
Fig. 1 einen Kompressor mit einem Linearmotor im Schnitt,
-
Fig. 2 einen Kompressor in Doppelhubbauweise,
-
Fig. 3 eine andere Ausführung eines Kompressors in Doppelhubbauweise, schematisch,
und
-
Fig. 4 eine Kompressoreinheit in Modulbauweise im Querschnitt.
-
Der in Fig. 1 gezeigte Kompressor für R744-Kältemittel weist im wesentlichen ein
Gehäuse 1, einen in diesem fest angeordneten, Hin- und Herbewegungen ausführenden
Linearmotor 2 mit veränderbarer Ansteuerfrequenz, an dem ein Hubkolben 3 angebracht
ist, sowie einen Kompressionsraum 4 für das R744-Kältemittel, in den der Hubkolben 3
hineinragt, und ein Ansaugventil 5 (in der Darstellung geschlossen) und ein Ausstoßventil
6 (in der Darstellung geöffnet) in der dem Hubkolben 3 gegenüberliegenden
Stirnwandung 7 des Gehäuses 1 auf. Der Hubkolben 3 ist an dem Reaktionsteil 8 des
Linearmotors 1 befestigt, das in dessen axialer Richtung (Bewegungsrichtung) über eine
Druckfeder 9 an einer Schulter 10 im Gehäuse 1 abgestützt ist, und in radialer Richtung
gegenüber der Kompressionsraumwandung mit Ringdichtungen 11 abgedichtet. In Fig. 1
befindet sich der Hubkolben 3 in seinem ventilseitigen Totpunkt. Der den Ventilen
abgewandte Totpunkt des Hubkolbens 3 ist gestrichelt angedeutet. An der Außenseite
der Stirnwandung 7 sind im Bereich der Ventile 5 und 6 Anschlußmittel 12 für die
Druckleitungen der Klimaanlage angeordnet. Das Verdichtungsverhältnis im
Kompressionsraum beträgt 4/1.
-
Wird der Linearmotor 2 durch ein Einschalten der Klimaanlage in Betrieb genommen, so
führt dieser unter Mitnahme des Hubkolbens 3 oszillierende Bewegungen aus. Bewegt
sich das Reaktionsteil 8 von den Ventilen weg (in der Fig. 1 nach rechts, Ansaughub), so
entsteht im Kompressionsraum 4 ein zunehmender "Unterdruck", der bei einer
vorbestimmten Druckdifferenz von 2 bar zum Kältemitteldruck in der Ansaugleitung zum
Öffnen des Ansaugventils 5 führt, wobei in der Ansaugleitung ein Niederdruck von etwa
30 bis 50 bar herrscht. Kältemittel strömt mit diesem Druck in den Kompressionsraum 4.
Bei der sich anschließenden Bewegung des Reaktionsteils 8 auf die Ventile 5 und 6 zu
schließt sich das Ansaugventil 5 selbsttätig, und das im Kompressionsraum 4 befindliche
Kältemittel wird zunehmend komprimiert. Bei Erreichen einer vorbestimmten
Druckdifferenz von 2 bar gegenüber dem Kältemitteldruck in der Kältemittel-
Hochdruckleitung öffnet das Auslaßventil 6 selbsttätig, durch das nun das auf einen
Druck von 100 bis 140 bar komprimierte Kältemittel in die zu dem Gaskühler der
Klimaanlage führende Hochdruckleitung gedrückt wird. Nach Erreichen des Totpunktes
und einer beginnenden, umgekehrten Bewegung des Reaktionsteils 8 und damit auch
des Hubkolbens 3 schließt das Auslaßventil 6 infolge des sich aufbauenden
"Unterdruckes" wieder, und der Vorgang beginnt von vorn. Die Betriebsspannung des
Linearmotors kann 6 bis 60 V betragen. Durch eine Veränderung der Ansteuerfrequenz
des Linearmotors und damit der Hubzahl pro Zeiteinheit, wird auf einfache Weise die
Kompressorleistung und damit auch die Kälteleistung der Klimaanlage geregelt. Es sei
erwähnt, daß die Fahrzeugklimaanlage auch als Wärmepumpe betrieben werden kann.
-
Der in Fig. 2 gezeigte Kompressor weist in seinem Gehäuse 1 beidseits des
Reaktionsteils 8 des Linearmotors 2 jeweils einen Kompressionsraum 4.1 und 4.2 auf.
Das Reaktionsteil 8 trägt an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen
Hubkolben 3.1. bzw. 3.2, der in den jeweiligen Kompressionsraum 4.1 bzw. 4.2
hineinragt und gegenüber diesem durch Ringdichtungen 11 in radialer Richtung
abgedichtet ist. Die Kompressionsräume 4.1 und 4.2 sind, wie bei der vorbeschriebenen
Ausführung, in ihrer Stirnwandung 7.1, 7.2 mit jeweils einem Ansaugventil 5.1., 5.2 und
einem Auslaßventil 6.1., 6.2 versehen. Die Kompressionsräume 4.1., 4.2 sind über
jeweils einen Niederdruck-(Ansaug-) Leitungsabzweig 13.1, 13.2 und einen Hochdruck-
Leitungsabzweig 14.1 und 14.2 in den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage eingebunden,
wobei die Niederdruckleitung 13 mit dem Verdampfer und die Hochdruckleitung 14 mit
dem Kondensator derselben verbunden ist.
-
Wird der Linearmotor 2 durch ein Einschalten der Klimaanlage in Betrieb genommen, so
wird in beiden Kompressionsräumen 4.1 und 4.2 wechselseitig CO2-Kältemittel
verdichtet, wodurch bei gleicher Frequenz des Linearmotors 2 wie in der vorstehend
beschriebenen Ausführung die Zahl der Kompressionshübe verdoppelt ist und diese
ohne Zeitverzug aufeinanderfolgen. Die beiden komprimierten CO2-Kältemittelströme
überlagern sich dadurch in der Hochdruckleitung 14 derart, daß auf einen Ausschub
sofort der nächste folgt und Ausschubpausen verkürzt sind. Durch diese Betriebsweise
sind die Pulsationen in der Hochdruckleitung 14 und der nach Öffnen des jeweiligen
Auslaßventils 6.1, 6.2 auftretende Druckanstieg verringert. Durch eine Veränderung der
Ansteuerfrequenz des Linearmotors 2 und damit der Hubzahl je Zeiteinheit kann der
Saugdruck geregelt und an die geforderte Kälte- oder Wärmeleistung angepaßt werden.
-
Eine andere Ausführung einer Doppelhubbauweise ist in Fig. 3 schematisch gezeigt. Bei
dieser Bauweise ist ein auf einer Seite des Linearmotors 2 im Kompressorgehäuse
ausgebildeter Kompressionsraum 15 in zwei Kompressionsräume 15.1 und 15.2 geteilt,
zwischen denen ein mit dem Reaktionsteil 8 des Linearmotors 2 fest verbundener
Hubkolben 16, in radialer Richtung abgedichtet, angeordnet ist, so daß der eine
Kompressionsraum 15.1 linearmotorseitig und der andere Kompressionsraum 15.2 auf
der dem Linearmotor 2 abgewandten Seite des Hubkolbens 16 gebildet ist. Beide
Kompressionsräume 15.1 und 15.2 sind jeweils mit einem Ansaugventil 17 und einem
Auslaßventil 18 versehen, so daß durch eine Bewegung des Hubkolbens 16 das in der
Bewegungsrichtung vor diesem (16) im jeweiligen Kompressionsraum 15.1 bzw. 15.2
befindliche Kältemittel verdichtet und gleichzeitig Kältemittel in den hinter diesem (16)
befindlichen Kompressionsraum 15.2 bzw. 15.1 angesaugt wird. Auch bei dieser
Ausführung sind die Kompressionsräume 15.1 und 15.2 über je einen
Niederdruck(Ansaug-)-Leitungsabzweig und einen Hochdruck-Leitungsabzweig in den
Kältemittelkreislauf der Klimaanlage eingebunden. Die bei der ersten Ausführung einer
Doppelhubbauweise beschriebenen Vorteile sind auch bei dieser Ausführung gegeben.
-
Die vorbeschriebenen Ausführungen eines Kompressors mit einem Linearmotor 2 und
einem mit diesem wirkverbundenen Kompressionsraum 4 bzw. wirkverbundenen
Kompressionsräumen 4.1 und 4.2 bzw. 15.1 und 15.2 können als Modul ausgeführt sein,
von denen mehrere zu einer Kompressoreinheit 19 baukastenartig zusammengefügt
sind. Eine solche Kompressoreinheit 19 mit drei Kompressoren 20 ist in Fig. 4 gezeigt.
Diese (20) sind in einer aus drei Teilen 21.1, 21.2 und 21.3 bestehenden Halterung 21
aufgenommen und über entsprechende Leitungsabzweige in den Kältemittelkreislauf der
Klimaanlage eingebunden. Die Halterung 21 weist ein Grundteil 21.1 mit zwei an die
Form der Kompressoren 20 angepaßten Aufnahmewannen 22 und einer angepaßten
Auflagefläche 23 und zwei über jeweils ein Scharniergelenk 24 mit dem Grundteil 21.1
verbundene Klemmteile 21.2 und 21.3 auf. In diesen (21.2, 21.3) sind jeweils zwei
Aufnahmewannen 22 ausgebildet, die im dargestellten Schließzustand der Halterung 21
die Kompressoren 20 klemmend umschließen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Gehäuse
2 Linearmotor
3 Hubkolben
3.1 Hubkolben
3.2 Hubkolben
4 Kompressionsraum
4.1 Kompressionsraum
4.2 Kompressionsraum
5 Ansaugventil
5.1 Ansaugventil
5.2 Ansaugventil
6 Auslaßventil
6.1 Auslaßventil
6.2 Auslaßventil
7 Stirnwandung
7.1 Stirnwandung
7.2 Stirnwandung
8 Reaktionsteil
9 Druckfeder
10 Schulter
11 Ringdichtung
12 Anschlußmittel
13 Niederdruckleitung
13.1 Niederdruck-Leitungsabzweig
13.2 Niederdruck-Leitungsabzweig
14 Hochdruckleitung
14.1 Hochdruck-Leitungsabzweig
14.2 Hochdruck-Leitungsabzweig
15 Kompressionsraum
15.1 Kompressionsraum
15.2 Kompressionsraum
16 Hubkolben
17 Ansaugventil
18 Auslaßventil
19 Kompressoreinheit
20 Kompressor
21 Halterung
21.1 Grundteil
21.2 Klemmteil
21.3 Klemmteil
22 Aufnahmewanne
23 Auflagefläche
24 Scharniergelenk