DE10221396A1

DE10221396A1 - C02-Axialkolbenverdichter für Fahrzeugklimaanlagen

Info

Publication number: DE10221396A1
Application number: DE10221396A
Authority: DE
Inventors: Daniel Damson; Otfried Schwarzkopf
Original assignee: Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: DE10221396B4; FR2845432B1; FR2845432A1

Abstract

Axialkolbenverdichter (20) zur Zirkulation von CO¶2¶ als Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit einem einen Triebwerksraum (21) begrenzenden Gehäuse (27), einem Zylinderblock (22) und einem Zylinderkopf (23), wobei der Hochdruckseite (25) des Verdichters (20) ein Schmiermittel- bzw. Ölabscheider zugeordnet ist. Zwischen Triebwerksraum (21) und der Saugseite (26) des Verdichters (20) ist ein weiterer Schmiermittel- bzw. Ölabscheider (28) wirksam, der in einer sich durch den Zylinderkopf (22) hindurch erstreckenden Bypass-Leitung (29) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter zur Zirkulation von CO₂ als Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf einer Fahrzeugklimaanlage gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges besteht entsprechend Fig. 3 aus den Hauptkomponenten

- Kältemittelverdichter 10,
- einem dem Verdichter nachgeordneten ersten Wärmetauscher 11,
- einem diesem nachgeordneten inneren Wärmetauscher 12,
- einem Expansionsorgan, insbesondere Expansionsventil 13,
- einem diesem nachgeordneten Verdampfer 14.

Die vorgenannten Komponenten werden durch dazwischen geschaltete Rohrleitungen miteinander verbunden. Der Kältemittelverdichter 10 hat die Aufgabe, Kältemittel, hier CO₂, aus einem Verdampfer, in dem es unter Wärmeaufnahme verdampft, abzusaugen und auf einen höheren Druck zu verdichten, so dass in einem dem Verdichter nachgeordneten Wärmetauscher (zum Beispiel Verflüssiger oder Gaskühler im überkritischen Bereich) Wärme auf einem höheren Temperaturniveau wieder abgegeben werden kann. Anschließend erfährt das Kältemittel im Expansionsventil 13eine Drosselung auf das Druckniveau des nachgeordneten Verdampfers 14. Zwischen Verdampfer 14 und innerem Wärmetauscher 12 ist noch ein Kältemittel-Abscheider 15 angeordnet, in dem flüssiges Kältemittel abgeschieden wird. Nicht dargestellt sind in Fig. 3 Komponenten des Kältemittelkreislaufs, die dem Schmiermittel- bzw. Ölhaushalt (Ölabscheidung, Ölrückführung) des Verdichters dienen.
Als Kältemittelverdichter werden bei Fahrzeugklimaanlagen sehr häufig Axialkolbenverdichter verwendet. Es kommen aber auch andere Verdichterbauformen, wie zum Beispiel Scroll-Verdichter, zum Einsatz.
Bei Verwendung von CO₂ als Kältemittel hat sich gezeigt, dass der Einsatz eines Ölabscheiders notwendig ist. Das Lösungsverhalten von Öl in CO₂ ist gering, wodurch der für die Schmierung notwendige Ölrücktransport nicht sichergestellt ist. Weiterhin führt die Verwendung von CO₂ als Kältemittel dazu, dass es bei der Verdichtung zu vergleichsweise hohen Verdichtungsendtemperaturen kommt. Aus diesem Grund müssen - anders als bei R134a- Verdichtern - grundviskosere und additivierte Öle verwendet werden. Diese viskoseren Öle führen auf der anderen Seite zu erheblichen Nachteilen im Wärmetauscher (reduzierter Wärmeübergangskoeffizient; Verklebung im Wärmetauscher). Aufgrund der kompakten Bauweise von Verdichtern, insbesondere Axialkolbenverdichtern für Fahrzeugklimaanlagen, muß darüber hinaus mit einem relativ großen Ölwurf gerechnet werden. Aus diesen Gründen erscheint es unerlässlich, dass bei CO₂-Klimaanlagen ein Ölabscheider zum Einsatz kommt. Das Öl wird dann im Ölabscheider vom verdichteten Kältemittel in einem vorbestimmten Abscheidegrad getrennt. Das Kältemittel durchströmt anschließend den Kreislauf, wobei in den Wärmetauschern ein zum Kreislauf ohne Ölabscheider vergleichsweise günstigerer Wärmeübergang realisiert werden kann. Das abgeschiedene Öl wird in den Triebwerksraum des Verdichters zurückgeführt, oder zu vorbestimmten Bereichen desselben geleitet, zum Beispiel einer Wellenabdichtung innerhalb eines Nebenraums des Triebwerkraums.

Es gibt auch Konstruktionen in Verbindung mit Axialkolbenverdichtern für Fahrzeugklimaanlagen, die sich durch eine by-pass- Leitung zwischen Triebwerksraum und der Saugseite des Verdichters auszeichnen, wobei in dieser by-pass-Leitung ein Regelventil zur Drucksteuerung zwischen der Saugseite des Verdichters und dem Triebwerksraum angeordnet ist (s. EP 0 742 116 B1). Dieser by-pass-Leitung ist auch noch ein Ölabscheider zugeordnet, der in der Gehäusewand integriert ist. Im übrigen liegt die by-pass-Leitung außerhalb des Verdichters. Diese Konstruktion hat zwar den Vorteil, dass unkontrollierter Ölmitriß durch die by-pass-Leitung hindurch zur Saugseite hin weitgehend vermieden ist. Nachteilig ist jedoch, dass die by-pass-Leitung an der den Triebwerksraum begrenzenden Gehäusewand einerseits und am Zylinderkopf saugseitig andererseits angeschlossen und abgedichtet werden muß. Es entstehen somit zusätzliche Dichtstellen, die zum einen fertigungs- und montagetechnisch aufwändig sind und zum anderen auch Leckagestellen bilden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Axialkolbenverdichter der zuletzt genannten Art zu schaffen, der sich bei verbesserter Schmierölversorgung der Triebwerksteile durch ein Minimum von Dicht- und damit Leckagestellen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst, wobei konstruktive Details und Ausführungsformen in den Unteransprüchen beschrieben sind. Durch die Erfindung wird - wie beim Stand der Technik nach der EP 0 742 116 B1 - stationär eine größere Ölmenge im Triebwerksraum gehalten. Der Ansaugvorgang wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen effektiver, da mehr Kältemittel und weniger Öl beim Saughub in die Zylinderräume gelangt und mitverdichtet wird. Der Ölwurf aus dem Verdichter heraus in das System bzw. in die Anlage wird reduziert. Dies führt zu einer erhöhten Effektivität der Wärmetauscher und damit erhöhten Effizienz des Gesamtsystems.

Durch die zusätzliche Ölabscheidung parallel zu der bereits vorbekannten Ölabscheidung an der Hochdruckseite, ist es möglich, den letztgenannten Ölabscheider im Hauptgasstrom des Verdichters geringer zu dimensionieren.

Von besonderem Vorteil ist dabei, dass das durch die saugseitig zusätzliche Ölabscheidung gewonnene Öl eine geringere Temperatur aufweist als das im Hauptkreis des Verdichters an der Hochdruckseite abgeschiedene Öl. Dementsprechend kann dem Triebwerksraum Schmiermittel mit geringerer Temperatur zugeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Schmierung erheblich erhöht wird.

Konstruktiv liegt der Kern der vorliegenden Erfindung darin, dass der weitere Ölabscheider im Bereich des Zylinderblocks innerhalb einer im Zylinderblock vom Triebwerksraum zur Saugseite des Verdichters hin führenden by-pass-Leitung angeordnet ist, die sich dann auch noch durch sog. Ventilplatte zwischen Zylinderblock und Zylinderblock sowie ggf. durch eine zwischen Zylinderkopf und Ventilplatte eingespannte Ventilmembran hindurcherstreckt. Damit sind für die by-pass-Leitung keine gesonderten Dichtungen erforderlich. Es wirken in bezug auf die bypass-Leitung die bereits vorhandenen Dichtungen zwischen Zylinderblock und Ventilplatte einerseits und Ventilplatte, ggf. Ventilmembran und Zylinderkopf andererseits. Damit entstehen durch die erfindungsgemäß angeordnete by-pass-Leitung auch keine zusätzlichen Leckagestellen. Die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Konstruktion sind bei erhöhter Funktionssicherheit erheblich geringer.

Wie bereits erwähnt, ist es für den Wirkungsgrad nicht unerheblich, wenn das in den Triebwerksraum zurückgeführte Öl eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Dementsprechend hat sich als vorteilhaft erwiesen, die erwähnte by-pass-Leitung, der auch der zusätzliche Ölabscheider zugeordnet ist, im Randbereich des Verdichters, aber noch innerhalb der äußeren Begrenzung anzuordnen, vorzugsweise nach Art einer "Gehäuse- Kühlrippe". Auch kann es von Vorteil sein, der zusätzlichen Ölabscheidung eine Kühleinrichtung zuzuordnen, mit der das abgeschiedene Öl aktiv auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird.

Nachstehend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Schema-Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen konzipierten Axialkolbenverdichters im schematischen Längsschnitt; und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß konzipierten Axialkolbenverdichters im schematischen Längsschnitt.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Axialkolbenverdichter für Fahrzeugklimaanlagen im schematischen Längsschnitt dargestellt, wobei hinsichtlich der detaillierten Konstruktion eines derartigen Axialkolbenverdichters beispielhaft verwiesen wird auf die DE 198 09 768 A1 oder bereits erwähnte EP 0 742 116 B1.
Derartige Axialkolbenverdichter 20, die im vorliegenden Fall zur Zirkulation von CO₂ als Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf einer Fahrzeugklimaanlage dienen sollen, umfassen ein einen Triebwerksraum 21 begrenzendes Gehäuse 27, einen Zylinderblock 22 sowie einen Zylinderkopf 23, wobei im Zylinderkopf 23 eine Druckkammer 25 mit Ölabscheider sowie Saugkammern 26 ausgebildet sind. Die Druckkammer 25 ist mit dem Auslaß der einzelnen Zylinderräume im Zylinderblock 22 verbunden, während die Einlässe der einzelnen Zylinderräume mit den Saugkammern 26 in Verbindung stehen.
Die in den Zylinderräumen hin- und herverschiebbaren Kolben sind mit einer Schräg- oder Taumelscheibe gekoppelt, die auf einer zentralen Antriebswelle gelagert ist. Diese Antriebswelle wird vom Fahrzeugmotor angetrieben, und zwar über eine außerhalb des Gehäuses 27 angeordnete Antriebsriemenscheibe 24.
Wie bereits oben ausgeführt, ist neben dem hochdruckseitigen Ölabscheider ein weiterer Schmiermittel- bzw. Ölabscheider 28 zwischen Triebwerksraum 21 und der Saugseite 26 des Verdichters 20 vorgesehen, wobei der weitere Ölabscheider 28 im Bereich des Zylinderblocks 23 angeordnet ist, und zwar hier konkret innerhalb einer im Zylinderblock 23 vom Triebwerksraum 21 zur Saugseite 26 des Verdichters 20 führenden by-pass-Leitung 29.
Der Ölabscheider 28 kann in Form eines Gewebe-Ölabscheiders, Prallwand-Ölabscheiders, Labyrinth-Ölabscheiders oder Zyklonen- Ölabscheiders ausgebildet sein. Er befindet sich vorzugsweise im Einlassbereich der von der Triebwerkskammer 21 zur Saugseite 26 des Verdichters 20 führenden by-pass-Leitung 29.
Entsprechend Fig. 1 liegt die by-pass-Leitung 29 im Randbereich des Verdichters 20, wo die Temperaturen etwas niedriger sind als im zentralen Bereich des Verdichters.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist an den weiteren Ölabscheider 28 im Bereich zwischen Triebwerkskammer 21 und Saugseite 26 eine Ölrückführleitung 30 angeschlossen, über die im Ölabscheider 28 gesammeltes Öl in den Triebwerksraum 21 zurückgeführt wird. In diese Ölrückführleitung 30 mündet eine weitere Ölrückführleitung 31 von der Hochdruckseite 25 bzw. dem dort vorgesehenen ersten Ölabscheider. Diese weitere Ölrückführleitung 31 umfaßt noch ein Regelventil 32.
Somit lässt sich sowohl vom hochdruckseitigen Ölabscheider als auch vom niederdruckseitigen Ölabscheider abgeschiedenes Öl in die Triebwerkskamme 21 zurückführen oder zu Teilbereichen derselben, insbesondere zu dort angeordneten Dreh- und/oder Gleitlagern leiten. Wie erwähnt, liegt die by-pass-Leitung 29 im Randbereich des Zylinderblocks 22, d. h. nahe der in der Regel kühleren Umgebung. Um einen zusätzlichen Kühleffekt zu erzielen, erstreckt sich die by-pass-Leitung 29 innerhalb einer radial nach außen vorstehenden Längsrippe des Zylinderblocks sowie der angrenzenden Bereiche von Gehäuse 27 und Zylinderkopf 23. Diese Längsrippe stellt eine Art Gehäuse-Kühlrippe dar. Auf jeden Fall soll sich die by-pass-Leitung durch den Zylinderblock sowie durch eine zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock angeordnete Ventilplatte sowie zwischen diesen Teilen angeordnete Dichtungen hindurcherstrecken, so dass für die by-pass- Leitung keine gesonderten Dichtungen erforderlich werden. In den Fig. 1 und 2 ist die Ventilplatte mit der Bezugsziffer 33 angedeutet. Eine genauere Darstellung von Ventilplatte und Ventilmembranen erübrigt sich, da es sich hierbei um an sich bekannte Bauteile handelt. Bezugszeichenliste 10 Kältemittelverdichter
11 erster Wärmetauscher
12 innerer Wärmetauscher
13 Expansionsventil
14 Verdampfer
15 Kältemittel-Abscheider
20 Axialkolbenverdichter
21 Triebwerksraum
22 Zylinderblock
23 Zylinderkopf
24 Antriebsriemenscheibe
25 Druckkammer mit Ölabscheider
26 Saugkammer
27 Gehäuse
28 weiterer Ölabscheider
29 by-pass-Leitung
30 Ölrückführleitung
31 Ölrückführleitung
32 Regelventil
33 Ventilplatte

Claims

1. Axialkolbenverdichter zur Zirkulation von CO₂ als Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit einem einen Triebwerksraum (21) begrenzenden Gehäuse (27), einem Zylinderblock (22) und einem Zylinderkopf (23), wobei der Hochdruckseite (25) des Verdichters (20) ein Schmiermittel- bzw. Ölabscheider zugeordnet ist, und wobei ferner ein weiterer Schmiermittel- bzw. Ölabscheider (28) zwischen Triebwerksraum (21) und der Saugseite (26) des Verdichters (20) wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Ölabscheider (28) im Bereich des Zylinderblocks (23) innerhalb einer im Zylinderblock (23) vom Triebwerksraum (21) zur Saugseite (26) des Verdichters (20) führenden by-pass-Leitung (29) angeordnet ist.

2. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem weiteren Ölabscheider (28) wenigstens eine Leitung (30) zum Triebwerksraum (21) oder Teilbereichen desselben und/oder zu Dreh- und/oder Gleitlagern innerhalb oder außerhalb des Triebwerksraumes (21) führt, über die abgeschiedenes Öl zu den vorgenannten Bereichen/Stellen leitbar ist.

3. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaßbereich der von der Triebwerkskammer (21) zur Saugseite (26) des Verdichters (20) führenden by-pass- Leitung (29) eine Ölsperre vorgesehen ist.

4. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider in Form eines

- Gewebe-Ölabscheiders,

- Prallwand-Ölabscheiders,

- Labyrinth-Ölabscheiders,

- Zyklonen-Ölabscheiders, oder

- einer Kombination davon

ausgebildet ist.

5. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einen weiteren Ölabscheider (28) umfassende by-pass- Leitung (29) von der Triebwerkskammer (21) zur Saugseite (26) des Verdichters (20) im Randbereich des Verdichters (20) angeordnet ist und sich durch den Zylinderblock (22), eine zwischen Zylinderblock (22) und Zylinderkopf (23) angeordnete Ventilplatte (33) und ggf. eine zwischen der Ventilplatte (33) und Zylinderkopf (23) eingespannte Ventilmembran sowie zwischen diesen Teilen angeordnete Dichtungen hindurcherstreckt.

6. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die by-pass-Leitung (29) nach Art einer "Gehäuse- Kühlrippe" ausgeführt ist, oder sich innerhalb einer solchen erstreckt.

7. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der einen weiteren Ölabscheider (28) umfassenden by-pass- Leitung 29, zumindest dem weiteren Ölabscheider (28) selbst, und/oder der an diesem angeschlossenen Ölrückführleitung (30) eine Kühleinrichtung zugeordnet ist.