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Die Erfindung betrifft einen Kältemittel-, insbesondere CO2-
Verdichter für Fahrzeugklimaanlagen bestehend aus einem einen
Triebwerksraum begrenzenden Gehäuse, einem Zylinderblock, einem
Zylinderkopf, und einer mit einem externen Antrieb verbindbaren
Antriebswelle, die mit innerhalb des Zylinderblocks hin- und
herbewegbaren Kolben gekoppelt ist, insbesondere über einen
Schrägscheiben- oder Taumelscheiben-Mechanismus.
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Derartige Axialkolbenverdichter sind als Teil einer
Fahrzeugklimaanlage bekannt. Eine solche Klimaanlage besteht unter
Bezugnahme auf Fig. 2 aus folgenden Hauptkomponenten:
- - Kältemittelverdichter 10
- - einem dem Verdichter 10 nachgeordneten ersten Wärmetauscher
11 (zum Beispiel Verflüssiger oder Gaskühler im
überkritischen Bereich)
- - einem inneren Wärmetauscher 12,
- - einem dem inneren Wärmetauscher 12 nachgeordnetes
Expansionsorgan, zum Beispiel Expansionsventil 13,
- - einem dem Expansionsventil 13 nachgeordneten zweiten
Wärmetauscher, nämlich Verdampfer 14, und ggf.
- - einem zwischen Verdampfer 14 und innerem Wärmetauscher 12
bzw. Verdichter 10 angeordneten Kältemittelabscheider 15.
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Als Kältemittelverdichter in einer Fahrzeugklimaanlage werden
sehr häufig Axialkolbenverdichter verwendet. Es kommen aber
auch andere Verdichterbauformen, wie zum Beispiel Scroll-
Verdichter, zum Einsatz.
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Der Kältemittelverdichter hat die Aufgabe, das Kältemittel aus
dem Verdampfer, in dem es unter Wärmeaufnahme verdampft,
abzusaugen und auf einen höheren Druck zu verdichten, so dass in
einem dem Verdichter nachgeordneten Wärmetauscher die Wärme auf
einem höheren Temperaturniveau wieder abgegeben werden kann.
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Kältemittelverdichter, die dem Stand der Technik entsprechen,
werden gegenwärtig mit R134a als Kältemittel betrieben. Der
Einsatz von CO2 als Kältemittel in Fahrzeugklimaanlagen wird
gegenwärtig intensiv untersucht und entwickelt.
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Anhand der Fig. 1 soll ein Axialkolbenverdichter für eine
Fahrzeugklimaanlage näher beschrieben werden. Dieser
Axialkolbenverdichter mit der Bezugsziffer 10 umfaßt ein einen
Triebwerksraum 17 begrenzendes Gehäuse 18, einen Zylinderblock 19, einen
Zylinderkopf 20, und eine mit einem externen und hier nicht
näher dargestellten Antrieb verbindbare Antriebswelle 26, die mit
innerhalb des Zylinderblocks 19 hin- und herbewegbaren Kolben
21 gekoppelt ist, und zwar hier über einen Taumelscheiben-
Mechanismus 22. Das Gehäuse 18 ist an der dem Zylinderkopf 20
gegenüberliegenden Seite durch einen Gehäusedeckel 27
verschlossen. Durch diesen Gehäusedeckel 27 erstreckt sich die
Antriebswelle 26 von außen in das Gehäuse 18 bzw. in dessen
Triebwerksraum 17 hinein. Die Antriebswelle 26 ist innerhalb
des Gehäusedeckels 27 sowohl axial (Axialwälzlager 25 und
Axialgleitlager 22) als auch radial (Radialwälzlager 24) drehbar
gelagert. Innerhalb des Gehäuses 18 erfolgt die Lagerung der
Antriebswelle 26 innerhalb des Zylinderblocks 19, und zwar
ebenfalls axial (Axialwälzlager 30) als auch radial
(Radialwälzlager 29).
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Zylinderkopf 20 und Gehäusedeckel 27 werden über axial
erstreckende Befestigungsschrauben 32 bzw. 28 mit dem Gehäuse 18
verbunden, und zwar vorzugsweise unter Zwischenschaltung von
Dichtringen. Zwischen Zylinderkopf 20 und Zylinderblock 19 bzw.
Gehäuse 18 ist noch eine Ventilhalteplatte 33 angeordnet, die
eine federelastische Ventilhalteplatte 31 umfaßt. Diese ist den
Zylinderauslässen und damit der Hochdruckseite der im
Zylinderblock 19 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten
Zylinder zugeordnet. Innerhalb dieser Zylinder sind die bereits
erwähnten Kolben 21 axial hin- und herbewegbar gelagert.
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An die Auslaß- bzw. Hochdruckseite ist ein Ölabscheider 16
angeordnet, und zwar entweder innerhalb des Zylinderkopfs 20 oder
wie in Fig. 1 dargestellt außerhalb desselben. Das im
Ölabscheider 16 aus dem Kältemittel abgeschiedene Öl wird über eine
Leitung dem Triebwerksraum 17 und besonders
schmiermittelintensiven Lagern, hier Axialgleitlager 23, zugeführt. Die
entsprechenden Ölrückführstellen sind in Fig. 1 mit "A" und "B"
gekennzeichnet.
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Das vom Schmiermittel bzw. Öl weitgehend befreite Kältemittel
wird vom Ölabscheider 16 in den ersten Wärmetauscher 11
gefördert. Diesem ersten Wärmetauscher 11, der als Gaskühler dient,
ist ein Expansionsorgan in Form eines Expansionsventils 13
nachgeordnet. An dieses schließt sich der Verdampfer 14 an.
Zwischen Verdampfer 14 und der Saugseite 35 des Verdichters 10
ist noch ein Kältemittelabscheider 15 angeordnet. Bei der
Ausführungsform nach Fig. 1 fehlt im Vergleich zu dem Kreislauf
gemäß Fig. 2 lediglich der innere Wärmetauscher 12.
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Es versteht sich von selbst, dass Fig. 1 einen schematischen
Längsschnitt durch einen Axialkolbenverdichter darstellt. Der
übrige Kreislauf, der dem Axialkolbenverdichter 10 zugeordnet
ist, ist nur schematisch angedeutet. Dies gilt insbesondere
für die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Teilen
der Gesamtanlage.
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Üblicherweise werden die Rohrleitungen, Wärmetauscher und
Gehäuse, Zylinderblock, Zylinderkopf sowie Kolben aus
Aluminiumwerkstoff hergestellt, und zwar zur Verringerung des
Gesamtgewichts, und auch zur Erhöhung des Wärmedurchgangskoeffizienten.
Dabei ist es auch bekannt, hochbelastete Triebwerksteile, wie
zum Beispiel Antriebswelle, der Antriebswelle zugeordnete
Axial- und Radiallager, Gehäusedeckel- und Zylinderkopf-Schrauben,
Ventile bzw. Ventilhalteplatte etc. aus Stahlwerkstoff
herzustellen. Im übrigen versucht man jedoch, alle übrigen Teile,
und zwar so viele wie möglich, aus Leichtmetall, insbesondere
aus einer Aluminiumlegierung herzustellen, um eben die
vorgenannten Vorteile zu erhalten.
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Auch bemüht man sich derzeit, möglichst viele Teile aus
Kunststoff herzustellen bzw. aus Verbundwerkstoffen, wie zum
Beispiel Kolben oder Schräg- bzw. Taumelscheibe.
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Nachteilig ist bei den bekannten Konstruktionen, dass die
Kosten für ein Recycling relativ hoch sind. Die einzelnen Teile
der Fahrzeugklimaanlage, insbesondere des Verdichters, müssen
zur Wiederverwertung zerlegt und nach den einzelnen Materialien
sortiert werden. Es ist augenscheinlich, dass der entsprechende
Aufwand relativ hoch ist mit der Folge, dass die
Wiederverwertung relativ kostenintensiv wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen Kältemittelverdichter zu schaffen, bei dem Demontage-
und Trennkosten für die Wiederverwertung entfallen. Die sog.
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"lifecyclecosts" sollen also gegenüber den bisherigen
Konstruktionen erheblich reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im
wesentlichen sämtliche Teile des Verdichters - insbesondere auch
Zylinderblock, Kolben, Zylinderkopf und Gehäuse - aus einem
Stahlwerkstoff, insbesondere legiertem oder hochlegiertem .
Stahlwerkstoff hergestellt sind. Der erfindungsgemäße
Kältemittelverdichter soll also im wesentlichen ausschließlich aus
Stahlwerkstoff bestehen.
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Wie dargelegt, ist der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter
in seinen Hauptbestandteilen aus Stahlwerkstoffen hergestellt
und kann daher als Ganzes wiederverwertet werden. Nach dem
Stand der Technik sind Antriebswelle, Wälzlager, Ventile,
Ventilplatte, Befestigungsmittel und auch die Schrägscheibe bei
einem Schrägscheiben-Mechanismus aus legierten oder
hochlegierten Stahlwerkstoffen hergestellt. Diese Technologie wird
erfindungsgemäß übernommen.
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Dichtungen, wie O-Ringe oder Flachdichtungen, sollen
erfindungsgemäß ebenfalls weitgehend aus Stahl hergestellt sein.
Konkret bestehen sie jeweils aus einem Träger aus Stahl, der
mit einer dünnen Elastomerschicht überzogen ist. Der
Elastomeranteil ist dann in bezug auf die Wiederverwertung des Stahls
derart gering, dass er keine Rolle spielt.
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Auch ist es unproblematisch, wenn die in Fig. 1 nicht
dargestellte äußere Antriebswelle aus Kunststoff hergestellt ist, da
diese vor der Wiederverwertung des Verdichters leicht
abgeschlagen bzw. demontiert werden kann. Es ist jedoch auch
denkbar, die erwähnte Antriebsscheibe aus einem Kunststoff
herzustellen, der beim Einschmelzen des Verdichters leicht
mitverbrennt oder verdampft.
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Beim Stand der Technik werden jedoch, wie bereits eingangs
dargelegt, die Gehäuseteile, Zylinderblock und Zylinderkopf sowie
auch Kolben aus Aluminiumwerkstoff hergestellt. Diese Teile
sollen erfindungsgemäß ebenfalls aus Stahlwerkstoffen
hergestellt sein. Neben der einfachen kostengünstigen
Wiederverwertbarkeit des Verdichters insgesamt ergeben sich daraus noch
weitere Vorteile, nämlich:
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Triebwerksraum begrenzendes Gehäuse:
- - geringeres Bauvolumen, da die Wandstärke im Vergleich zum
Aluminiumgehäuse stark reduziert werden kann;
- - Tiefziehmöglichkeit und Schmiedbarkeit des Gehäuses oder
von Gehäuseteilen
- - Schweißbarkeit des Gehäuses, so dass die Option besteht,
ein zweiteiliges Gehäuse zur Verfügung zu stellen, wobei
die Teile dann miteinander verschweißt werden. Dadurch
lässt sich die Vorformung der Teile erleichtern;
- - Hohe Duktilität des Stahlwerkstoffs, durch die die
Bauteilssicherheit im Vergleich zu spröden oder hochlegierten
ausgelagerten Aluminiumwerkstoffen erhöht werden kann.
- - hohe und vorherbestimmbare Dauerfestigkeit, insbesondere
unter Berücksichtigung der bei einem Verdichter
auftretenden Wechsel- und Schwellwechselbelastungen;
- - hohe Werkstofffestigkeit bei höheren Betriebstemperaturen;
- - keine Werkstoffveränderung über eine längere Lebensdauer.
Zylinderblock und Kolben
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Sofern der Zylinderblock aus Stahlwerkstoff hergestellt wird,
wird dieser im System Kolben/Zylinder gerecht. Als Werkstoff
für den Zylinder wird vorzugsweise ein gießbarer Werkstoff
verwendet, zum Beispiel Grauguß, der ein dünnwandiges Bauteil mit
dünnwandigen Verrippungen ermöglicht. Grauguß ist
kostengünstig, ermöglicht eine hohe Zerspanungsleistung bei der
Bearbeitung und weist gute Notlaufeigenschaften aufgrund der
Graphithaltigkeit im Zylinderbereich auf. Der Kolben wird vorzugsweise
aus legiertem oder hochlegiertem Stahlwerkstoff durch
Fließpressen oder Schmieden hergestellt. Um das Gewicht der Kolben
zu reduzieren, werden Hohlkolben vorgeschlagen. Die Kolben
können auch zweiteilig ausgeführt sein (Rohr und Scheibe). Zum
Verfügen der beiden Teile kommen Schweißverfahren, wie
Laserschweißen, elektrisches Widerstandsschweißen oder Reibschweißen
in Frage. Selbstverständlich müssen die Werkstoffe für Kolben
und Zylinder im Hinblick auf die Gleiteigenschaften und die
Wärmedehnungen aufeinander abgestimmt sein.
Zylinderkopf
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Der Zylinderkopf ist ein extrem druck- und temperaturbelastetes
Bauteil. Um eine hohe Gestaltfestigkeit des Zylinderkopfes bei
geringen Wandstärken zu erreichen, wird dieser aus legiertem,
insbesondere hochlegiertem Stahlwerkstoff oder Stahlguß
hergestellt. Im Zylinderkopf wird kaltes Kältemittel - vom
Kältekreislauf kommend - den einzelnen Zylindern zum Verdichten
zugeführt. Benachbart dazu wird heißes, unter Druck stehendes Gas
von den Zylindern abgeführt. Zwischen der kalten und der heißen
Zone ist ein Energieaustausch möglichst zu vermeiden. Ein
Werkstoff mit geringen Wärmeleitkoeffizienten wirkt sich daher
positiv auf den Wirkungsgrad des Verdichters und des
Gesamtsystems aus. Stahlwerkstoffe weisen auch keine signifikante
Reduzierung der Bauteilfestigkeit bei Betriebstemperaturen von bis
zu und über 180 °C auf. Dies wirkt sich positiv auf die
gewichts- und bauvolumenoptimierte Gestaltung des Zylinderkopfes
aus. Als Fertigungsverfahren kommen Gießen, aber auch
Fließpressen und Schmieden zur Anwendung.
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Vorzugsweise sind sämtliche bewegten Teile oder mit bewegten
Teilen unmittelbar zusammenwirkende stationäre Teile, wie Wälz-
und Gleitlager, Triebwerksteile, Antriebswelle, Ventile, Kolben
und Zylinderlaufbüchsen, sowie sämtliche Befestigungsmittel,
insbesondere Befestigungsschrauben aus hochlegiertem
Stahlwerkstoff und alle übrigen Teile, wie Gehäuse, Zylinderkopf,
Zylinderblock etc. aus Gusseisen hergestellt. Gusseisen ist ein
gegenüber legiertem bzw. hochlegiertem Stahl etwas
minderwertigerer Werkstoff mit der Folge, dass die Herstellungskosten für
den Kältemittelverdichter entsprechend geringer sind im
Vergleich zu einem Kältemittelverdichter, bei dem sämtliche Teile
aus legiertem oder hochlegiertem Stahlwerkstoff bestehen.
Andererseits wird durch die Verwendung von Gusseisen für weniger
belastete Teile ebenfalls eine Demontage und Trennung der
einzelnen Teile des Kältemittelverdichters für die
Wiederverwertung vermieden. Der erfindungsgemäß ausgebildete
Kältemittelverdichter kann als Ganzes wiederverwertet werden, wobei die
Wiederverwertung durch sog. Schreddern erfolgt.
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Im übrigen hat - wie bereits erwähnt - die Herstellung des
Kältemittelverdichters aus Stahlwerkstoff, worunter im weitesten
Sinne auch Gusseisen fallen soll, auch noch den Vorteil, dass
mit kleineren Wandstärken aufgrund der höheren Festigkeit
dieses Werkstoffs gearbeitet werden kann. Dies ist insbesondere
bei Verwendung von CO2 als Kältemittel von Bedeutung, da bei
Verwendung von CO2 mit erheblich höheren Drücken als bei
Verwendung von R134a gearbeitet werden kann und muß. Mit dem
erfindungsgemäß verwendeten Stahlwerkstoff lassen sich - wie
ebenfalls bereits ausgeführt - auch bei geringeren Wandstärken
die geforderten Berstdrücke problemlos erreichen.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale
werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln
oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste
10 Kältemittelverdichter (beispielsweise
Axialkolbenverdichter gemäß Fig. 2)
11 erster Wärmetauscher (Gaskühler)
12 innerer Wärmetauscher
13 Expansionsorgan, insbesondere
Expansionsventil
14 zweiter Wärmetauscher (Verdampfer)
15 Kältemittel-Abscheider
16 Schmiermittel- bzw. Ölabscheider
17 Triebwerksraum
18 Gehäuse
19 Zylinderblock
20 Zylinderkopf
21 Kolben
22 Triebwerk (Taumelscheiben-Mechanismus)
23 Axialgleitlager .
24 Radialwälzlager
25 Axialwälzlager
26 Antriebswelle
27 Gehäusedeckel
28 Gehäusedeckelschrauben
29 Radialwälzlager
30 Axialwälzlager
31 Ventilplatte
32 Zylinderkopfschrauben
33 Ventilhalteplatte
34 Leitung
35 Saugseite des Verdichters