DE10231211A1

DE10231211A1 - Kompressoreinheit

Info

Publication number: DE10231211A1
Application number: DE10231211A
Authority: DE
Inventors: Christoph Loy; Heiko Droese; Klaus Gebauer; Thomas Reske; Harry Nissen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Eine Kompressoreinheit weist ein Gehäuse (10), in welchem eine Antriebswelle (20) angeordnet ist, auf welcher die Taumelscheibe (30) eines Taumelscheibenkompressors befestigt ist, auf. Die Antriebswelle ist von einem ebenfalls im Gehäuse (10) angeordneten Elektromotor antreibbar. Hierbei liegt die Antriebswelle (20) vollständig innerhalb des Gehäuses (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompressoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In Kraftfahrzeug-Klimaanlagen werden zur Kompression des Kältemittels häufig Taumelscheiben-Kompressoren eingesetzt. Diese sind in der Regel so aufgebaut, dass die Antriebswelle, auf welcher die Taumelscheibe angeordnet ist, durch das Gehäuse des Kompressors hindurchtritt und mittels eines Keilriemens an den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Umdrehungszahl der Antriebswelle ist also proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors. Die Leistungsregelung des Kompressors erfolgt hierbei über eine Regelbarkeit des Kippwinkels der Taumelscheibe.
Bisherige Kältemittel, beispielsweise R 134a werden aus Umweltgründen in der Zukunft durch andere Kältemittel, vorzugsweise CO₂ ersetzt werden. Da CO₂ im Vergleich zu bisherigen Kältemitteln wesentlich stärker, etwa um einen Faktor 10, komprimiert werden muss, um vergleichbare Kühlleistungen erzielen zu können, steigen dadurch die Anforderungen bezüglich der Dichtigkeit zwischen Kompressorgehäuse und Umgebung erheblich.
Aus der EP 0 978 652 A2 ist ein Taumelscheiben-Kompressor bekannt, bei dem der Antrieb wahlweise über einen Elektromotor oder über den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs erfolgen kann. Es handelt sich hierbei also um einen Hybridkompressor. Auch hier tritt die Antriebswelle, auf welcher die Taumelscheibe angeordnet ist, durch das Gehäuse hindurch, damit eine Ankopplung an den Verbrennungsmotor erfolgen kann. Da jedoch das Kurbelgehäuse des Kompressors über ein Ventil mit der Druckkammer in Verbindung steht, befindet sich im Kurbelgehäuse stets Kältemittel unter Überdruck. Da das Kältemittel natürlich nicht aus dem Kreislauf entweichen darf, ist es somit nötig, die sich drehende Welle gegenüber dem Gehäuse abzudichten, was nur mittels aufwendiger Dichtungen möglich ist. Hierfür geeignete Dichtungen sind zum einen teuer und zum anderen relativ anfällig und einem nicht unerheblichen Verschleiß ausgesetzt. Insbesondere beim Einsatz von CO₂ als Kältemittel ist dis Abdichtung zwischen Gehäuse und Umgebung schwierig, da hier erheblich höhere Drücke als bei der Verwendung bisheriger Kältemittel auftreten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine gattungsgemäße Kompressoreinheit dahingehend weiterzubilden, dass auf eine Dichtung zwischen Antriebswelle und Gehäuse verzichtet werden kann. Insbesondere soll eine solche Kompressoreinheit so ausgelegt werden können, dass sie für den Einsatz in einer CO₂-Klimaanlage geeignet ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Kompressoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird der Kompressor ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben, welcher im gleichen Gehäuse wie die Taumelscheibe angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, die Antriebswelle vollständig innerhalb des Gehäuses anzuordnen, so dass eine aufwendige Dichtung entfallen kann.
Mit den weiteren Merkmalen des Anspruchs 2 ist eine besonders einfache Konstruktion möglich.
Gemäß den Ansprüchen 3 bis 6 kann der Motor auf eine einfache Art und Weise gekühlt werden.
Nach Anspruch 7 ist ein mechanisch besonders einfacher Aufbau möglich.
Eine Kompressoreinheit mit einem oder mehreren Merkmalen der Ansprüche 11-14 ist besonders für den Einsatz in einer Klimaanlage geeignet, in der CO₂ als Kältemittel dient. Hierfür ist die erfindungsgemäße Kompressoreinheit besonders zu bevorzugen, da dadurch, dass eine Dichtung zwischen Antriebswelle und Gehäuse völlig entfällt, die Kompressoreinheit für die hier auftretenden Drücke gut geeignet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene, perspektische Darstellung einer Kompressoreinheit.
Fig. 1 zeigt eine komplette Kompressoreinheit, die zum Einsatz in einer CO₂- Klimaanlage geeignet ist. Das Gehäuse 10 ist im wesentlichen aus dem ersten Gehäuseteil 11 und dem zweiten Gehäuseteil 12 aufgebaut. Im ersten Gehäuseteil 11 befindet sich die Motorkammer M mit dem Elektromotor, während im zweiten Gehäuseteil 12 die Kurbelkammer K und der Zylinderblock Z untergebracht sind.
Die Antriebswelle 20 erstreckt sich von einem hinteren Lager 16, welches am Abschlussdeckel 13 des ersten Gehäuseteils 11 angeordnet ist, bis zu einem vorderen Lager 14, welches sich im Bereich des Zylinderblocks Z befindet. Zwischen Motorkammer M und Kurbelkammer K ist die Zwischenwand 11A angeordnet, welche ein drittes Lager, nämlich das mittlere Lager 15 für die Antriebswelle 20 beinhaltet. Die Zwischenwand 11A weist eine Durchlassbohrung 11B auf, so dass Motorkammer M und Kurbelkammer K einen gemeinsamen Gasraum bilden. Der Abschlussdeckel 13 ist mit dem ersten Gehäuseteil 11 verschraubt, das zweite Gehäuseteil 12 ist mittels Schrauben am ersten Gehäuseteil 11 befestigt, wobei sich zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil die Zwischenwand 11A befindet, die dementsprechende Durchgangslöcher für die Schrauben aufweist. Das zweite Gehäuseteil 12 wird vom Zylinderkopf 60 abgeschlossen.
Die Antriebswelle 20 trägt sowohl den Rotor 50 des Elektromotors, als auch die Taumelscheibe 30 des Kompressors. Je nach Typ des verwendeten Elektromotors kann es sich beim Rotor 50 um eine Spulen- oder eine Magnetanordnung handeln. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Elektromotor um einen drehzahlgeregelten Motor, so dass die Leistung der Kompressoreinheit ausschließlich über die Drehzahl des Motors gesteuert werden kann. Aus diesem Grund ist eine Regelung der Leistung über eine Verstellung des Taumelscheibenwinkels nicht notwendig, so dass die Taumelscheibe 30 in einem festen Winkel zur Antriebswelle 20 steht und fixiert ist.
Die Gasansaugung geschieht über den Ansaugstutzen 13A, welcher am Abschlussdeckel 13 angeordnet und in diesem Ausführungsbeispiel koaxial zur Antriebswelle 20 ist. Vom Gasansaugstutzen 13A erstreckt sich eine schräg angeordnete Ansaugbohrung 13B in die Motorkammer M hinein. Das über Ansaugstutzen 13A und Ansaugbohrung 13B angesaugte Gas strömt durch die Motorkammer M und verlässt diese durch die Durchlassbohrung 11 B in der Zwischenwand 11A und gelangt somit in die Kurbelkammer K. Durch diesen Gasweg wird der Motor, also der Stator und der Rotor 50 vom angesaugten Gas umspült und somit gekühlt.
Die Kolben 42 weisen axiale Bohrungen mit Einlassventilen (nicht dargestellt) auf, durch welche das angesaugte Gas von der Kurbelkammer K in die Zylinder 44 gelangt. Dort wird es komprimiert und gelangt über das Ausgangsventile 48 in die Auslasskammer 46, welche über die Auslassöffnung 49 mit dem sich anschließenden Rohrsystem in Verbindung steht.
Weiterhin weisen die Kolben 42 Umfangsnuten 43 zur Aufnahme von (nicht dargestellten) Kolbenringen auf, wobei die entsprechenden Kolbenringe vorzugsweise aus Grauguss gefertigt sind. Kolbenringe sind notwendig, um die Kompressoreinheit in einer CO₂- Klimaanlage einsetzten zu können. Um diesen Zweck erfüllen zu können, weist das hier vorliegende Ausführungsbeispiel weiterhin folgende Merkmale auf:
Der Kolbenhub ist größer als der Kolbendurchmesser. Beispielsweise kann der Kolbenhub 21 mm, der Kolbendurchmesser 16 mm betragen. Das Gesamthubvolumen der sechs vorhandenen Zylinder beträgt vorzugsweise 25-30 cm³. Im Betrieb herrscht auf der Hochdruckseite ein Druck von ca. 140 bar, auf der Saugseite herrscht ein Druck von ca. 40 bar.
Durch die gewählte Anordnung liegt die Antriebswelle 20 vollständig im Inneren des Gehäuses 10, so dass zur Lagerung der Antriebswelle 20 gewöhnliche Kugel- oder Rollenlager verwendet werden können. Eine Abdichtung der sich drehenden Welle nach außen hin ist nicht erforderlich, was bei den hier vorliegenden hohen Drücken ein erheblicher Vorteil ist. Die einzige Verbindung des Kompressors nach außen geschieht über den Gasansaugstutzen 13A und den Auslass 49. Die Kompressoreinheit ist somit hermetisch aufgebaut.
Dadurch, dass ein drehzahlgeregelter Elektromotor eingesetzt wird, kann auf eine relativ komplizierte Mechanik und Regelungstechnik zur Veränderung des Kippwinkels der Taumelscheibe verzichtet werden. Die Regelung des Kippwinkels der Taumelscheibe geschieht bei konventionellen Taumelscheiben-Kompressoren für gewöhnlich über eine Druckänderung des Kurbelgehäuses. Die hierfür erforderlichen relativ aufwendigen Regelventile entfallen hier vollständig, vielmehr herrscht innerhalb des Gehäuses (mit Ausnahme der Zylinder) während des gesamten Betriebes Saugdruck. Somit kann das Gehäuse größtenteils relativ dünnwandig ausgeführt werden, da es keinen hohen Innendrücken widerstehen muss.
Durch Anordnung von Motor und Kurbelgehäuse in einem einzigen Gasraum kann auf sehr einfache Art und Weise eine Kühlung des Elektromotors mittels des Sauggases erreicht werden.
Dadurch, dass der Kompressor ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben wird und somit eine mechanische Ankopplung an den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs entfällt, kann die Kompressoreinheit grundsätzlich in beliebiger Lage innerhalb des Motorraums des Kraftfahrzeugs eingebaut werden. Dies ist aufgrund der zumeist hohen Bauteildichte in modernen Personenkraftwagen ein nicht unerheblicher Vorteil. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Gehäuse
11 erstes Gehäuseteil
11A Zwischenwand
11B Durchlassbohrung
12 zweites Gehäuseteil
13 Abschlussdeckel
13A Gasansaugstutzen
13B Ansaugbohrung
14 vorderes Lager
15 mittleres Lager
16 hinteres Lager
20 Antriebswelle
30 Taumelscheibe
42 Kolben
43 Umfangsnut
44 Zylinder
46 Auslasskammer
48 Auslassventil
50 Rotor
60 Zylinderkopf
M Motorkammer
K Kurbelkammer
Z Zylinderblock

Claims

1. Kompressoreinheit mit einem Gehäuse (10), in welchem eine Antriebswelle (20) angeordnet ist, auf welcher die Taumelscheibe (30) eines Taumelscheibenkompressors befestigt ist, und die von einem ebenfalls im Gehäuse (10) angeordneten Elektromotor antreibbar ist, wobei die Taumelscheibe (30) wenigstens einen Kolben (42), der in einem Zylinder (44) verschiebbar gehalten ist, zumindest mittelbar beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (20) vollständig innerhalb des Gehäuses liegt.

2. Kompressoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (20) auch den Rotor (50) des Elektromotors trägt.

3. Kompressoreinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich Taumelscheibe (30) und Rotor (50) in einem gemeinsamen Gasraum befinden.

4. Kompressoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gasansaugung oder Gasauslass durch den gemeinsamen Gasraum hindurch erfolgt.

5. Kompressoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das angesaugte Gas durch ein Einlassventil im Zylinder in den Kolben eintritt.

6. Kompressoreinheit nach Anspruch 2 und Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Gasansaugstutzen (13A) aufweist, welcher sich im Bereich des der Taumelscheibe (30) abgewandten Endes des Rotors (50) befindet.

7. Kompressoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (30) starr auf der Antriebswelle (20) angeordnet ist und der Elektromotor eine veränderbare Drehzahl hat.

8. Kompressoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) wenigstens zweiteilig aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil (11, 12) aufgebaut ist, wobei das erste Gehäuseteil (11) eine Motorkammer (M) und das zweite Gehäuseteil (12) eine Kurbelkammer (K) und einen Zylinderblock (Z) enthält.

9. Kompressoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gehäuseteile (11, 12) miteinander verschraubt sind.

10. Kompressoreinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den beiden Gehäuseteilen (11, 12) eine Zwischenwand (11A) mit wenigstens einer Durchlassbohrung (11B) befindet.

11. Kompressoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (42) Umfangsnuten (43) zur Aufnahme von Kolbenringen aufweisen.

12. Kompressoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenhub größer als der Kolbendurchmesser ist.

13. Kompressoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hochdruckseite ein Druck von über 100 bar, vorzugsweise von ca. 140 bar erzeugt wird.

14. Kompressoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Hubvolumen von ca. 15-30 cm³ aufweist.