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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 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 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 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 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 1 fehlt im Vergleich zu dem Kreislauf gemäß 2 lediglich
der innere Wärmetauscher 12.
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Es
versteht sich von selbst, dass 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. „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 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:
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- – 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.
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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.
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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, Zylin derblock 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.
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- 10
- Kältemittelverdichter
(beispielsweise Axialkolbenverdichter gemäß 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