DE10231211A1

DE10231211A1 - Motor vehicle air conditioning compressor has a totally enclosed refrigerant cooled motor and piston assembly

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

The motor shaft (20) has end bearings (15,16), a wobble plate (30) and pistons (42) with a gas inlet (13A) by which cooled gas is passed through a duct (13B) over the motor windings (50) into the compression chamber (12) and out through an opening (49) at the further end.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompressoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. The invention relates to a compressor unit according to the preamble of claim 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. In automotive air conditioning systems are used to compress the refrigerant Swash plate compressors used. These are usually structured in such a way that the drive shaft, on which the swash plate is arranged, through the housing of the Compressor passes and by means of a V-belt to the internal combustion engine of the Motor vehicle is coupled. The number of revolutions of the drive shaft is therefore proportional to the speed of the internal combustion engine. The compressor capacity is regulated here about controllability of the tilt angle of the swash plate.

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. Previous refrigerants, for example R 134a, will be replaced by other refrigerants, preferably CO ₂ , in the future for environmental reasons. Since CO _{2 has} to be compressed much more strongly than previous refrigerants, for example by a factor of 10, in order to be able to achieve comparable cooling capacities, the requirements regarding the tightness between the compressor housing and the environment increase considerably.

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. A swash plate compressor is known from EP 0 978 652 A2, in which the drive can be effected either via an electric motor or via the internal combustion engine of the motor vehicle. So this is a hybrid compressor. Here, too, the drive shaft, on which the swash plate is arranged, passes through the housing so that it can be coupled to the internal combustion engine. However, since the crankcase of the compressor is connected to the pressure chamber via a valve, refrigerant is always under pressure in the crankcase. Since the refrigerant must of course not escape from the circuit, it is therefore necessary to seal the rotating shaft against the housing, which is only possible using complex seals. Seals that are suitable for this purpose are expensive on the one hand and, on the other hand, relatively fragile and exposed to considerable wear. Especially when using CO ₂ as a refrigerant, the seal between the housing and the environment is difficult, since there are considerably higher pressures than when using previous refrigerants.

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. Starting from this prior art, it is the object of the invention to develop a generic compressor unit in such a way that a seal between the drive shaft and the housing can be dispensed with. In particular, such a compressor unit should be able to be designed so that it is suitable for use in a CO ₂ air conditioning system.

Diese Aufgabe wird mit einer Kompressoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved with a compressor unit with the features of claim 1 solved.

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. According to the invention, the compressor is operated exclusively by an electric motor driven, which is arranged in the same housing as the swash plate. This makes it possible to completely drive the drive shaft within the housing to be arranged so that an expensive seal can be omitted.

Mit den weiteren Merkmalen des Anspruchs 2 ist eine besonders einfache Konstruktion möglich. With the further features of claim 2 is a particularly simple construction possible.

Gemäß den Ansprüchen 3 bis 6 kann der Motor auf eine einfache Art und Weise gekühlt werden. According to claims 3 to 6, the motor can be cooled in a simple manner become.

Nach Anspruch 7 ist ein mechanisch besonders einfacher Aufbau möglich. According to claim 7, a mechanically particularly simple structure is possible.

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. A compressor unit with one or more features of claims 11-14 is particularly suitable for use in an air conditioning system in which CO ₂ serves as a refrigerant. For this purpose, the compressor unit according to the invention is particularly preferred, since the fact that a seal between the drive shaft and the housing is completely eliminated means that the compressor unit is well suited to the pressures occurring here.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Further advantageous configurations result from the further subclaims.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described using an exemplary embodiment with reference to the Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine geschnittene, perspektische Darstellung einer Kompressoreinheit. Fig. 1 is a sectional, perspective view of a compressor unit.

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. Fig. 1 shows a complete compressor unit for use in a CO ₂ - is suitable air conditioning. The housing 10 is essentially composed of the first housing part 11 and the second housing part 12 . The motor chamber M with the electric motor is located in the first housing part 11 , while the crank chamber K and the cylinder block Z are accommodated in the second housing part 12 .

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. The drive shaft 20 extends from a rear bearing 16 , which is arranged on the end cover 13 of the first housing part 11 , to a front bearing 14 , which is located in the region of the cylinder block Z. Between the engine chamber M and the crank chamber K, the intermediate wall 11 A is arranged, which contains a third bearing, namely the middle bearing 15 for the drive shaft 20 . The intermediate wall 11 A has a through hole 11 B, so that the engine chamber M and crank chamber K form a common gas space. The end cover 13 is screwed to the first housing part 11 , the second housing part 12 is fastened to the first housing part 11 by means of screws, the intermediate wall 11 A being located between the first and second housing parts and having corresponding through holes for the screws. The second housing part 12 is closed by the cylinder head 60 .

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. The drive shaft 20 carries both the rotor 50 of the electric motor and the swash plate 30 of the compressor. Depending on the type of electric motor used, the rotor 50 can be a coil or a magnet arrangement. In the exemplary embodiment shown here, the electric motor is a speed-controlled motor, so that the performance of the compressor unit can only be controlled via the speed of the motor. For this reason, it is not necessary to regulate the power by adjusting the swash plate angle, so that the swash plate 30 is at a fixed angle to the drive shaft 20 and is fixed.

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. The gas intake takes place via the intake port 13 A, which is arranged on the end cover 13 and is coaxial to the drive shaft 20 in this exemplary embodiment. An obliquely arranged suction hole 13 B extends from the gas intake 13 A into the engine chamber M. The gas sucked in via the intake port 13 A and the intake bore 13 B flows through the engine chamber M and leaves it through the through bore 11 B in the intermediate wall 11 A and thus reaches the crank chamber K. The gas, ie the stator and the rotor, passes through this gas path 50 washed by the sucked gas and thus cooled.

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. The pistons 42 have axial bores with inlet valves (not shown) through which the sucked-in gas passes from the crank chamber K into the cylinders 44 . There it is compressed and reaches the outlet chamber 46 via the outlet valve 48 , which is connected to the adjoining pipe system via the outlet opening 49 .

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: Furthermore, the pistons 42 have circumferential grooves 43 for receiving piston rings (not shown), the corresponding piston rings preferably being made of gray cast iron. Piston rings are necessary to be able to use the compressor unit in a CO ₂ air conditioning system. In order to be able to fulfill this purpose, the present exemplary embodiment furthermore has the following features:

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. The piston stroke is larger than the piston diameter. For example, the piston stroke can be 21 mm and the piston diameter 16 mm. The total stroke volume of the six cylinders present is preferably 25-30 cm ³ . During operation there is a pressure of approx. 140 bar on the high pressure side and a pressure of approx. 40 bar on the suction side.

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. Due to the selected arrangement, the drive shaft 20 lies completely inside the housing 10 , so that ordinary ball or roller bearings can be used for mounting the drive shaft 20 . It is not necessary to seal the rotating shaft to the outside, which is a considerable advantage given the high pressures present here. The only connection of the compressor to the outside occurs via the gas intake 13 A and the outlet 49 . The compressor unit is therefore hermetically constructed.

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. The fact that a speed-controlled electric motor is used means that there is a relative complicated mechanics and control technology for changing the tilt angle of the Swashplate can be dispensed with. The regulation of the swashplate tilt angle With conventional swash plate compressors, this usually happens via one Pressure change in the crankcase. The required relatively expensive Control valves are completely omitted here, rather there is inside the housing (with Except for the cylinders) suction pressure during operation. So that can Most of the cases are relatively thin-walled, as there is no high Must withstand internal pressures.

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. By arranging the engine and crankcase in a single gas space, you can very simple way of cooling the electric motor by means of the suction gas can be achieved.

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
Because the compressor is driven exclusively by an electric motor and there is therefore no mechanical coupling to the internal combustion engine of the motor vehicle, the compressor unit can in principle be installed in any position within the engine compartment of the motor vehicle. This is a not inconsiderable advantage due to the mostly high component density in modern passenger cars. REFERENCE SIGN LIST 10 housing
11 first housing part
11 A partition
11 B through hole
12 second housing part
13 end cover
13 A gas intake
13 B suction hole
14 front bearing
15 middle camp
16 rear bearing
20 drive shaft
30 swashplate
42 pistons
43 circumferential groove
44 cylinders
46 outlet chamber
48 exhaust valve
50 rotor
60 cylinder head
M engine chamber
K crank chamber
Z cylinder block

Claims

1. Compressor unit with a housing ( 10 ), in which a drive shaft ( 20 ) is arranged, on which the swash plate ( 30 ) of a swash plate compressor is attached, and which can be driven by an electric motor also arranged in the housing ( 10 ), the swash plate ( 30 ) at least one piston ( 42 ), which is held displaceably in a cylinder ( 44 ), at least indirectly, characterized in that the drive shaft ( 20 ) lies completely within the housing.

2. Compressor unit according to claim 1, characterized in that the drive shaft ( 20 ) also carries the rotor ( 50 ) of the electric motor.

3. Compressor unit according to one of claims 1 or 2, characterized in that the swash plate ( 30 ) and rotor ( 50 ) are in a common gas space.

4. Compressor unit according to claim 3, characterized in that Gas suction or gas outlet through the common gas space he follows.

5. Compressor unit according to claim 4, characterized in that the aspirated gas enters the piston through an inlet valve in the cylinder.

6. Compressor unit according to claim 2 and claim 4 or 5, characterized in that the housing has a gas intake ( 13 A) which is located in the region of the end of the rotor ( 50 ) facing away from the swash plate ( 30 ).

7. Compressor unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the swash plate ( 30 ) is rigidly arranged on the drive shaft ( 20 ) and the electric motor has a variable speed.

8. Compressor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 10 ) is constructed at least in two parts from a first and a second housing part ( 11 , 12 ), the first housing part ( 11 ) being a motor chamber (M) and the second Housing part ( 12 ) contains a crank chamber (K) and a cylinder block (Z).

9. Compressor unit according to claim 8, characterized in that the two housing parts ( 11 , 12 ) are screwed together.

10. Compressor unit according to one of claims 8 or 9, characterized in that between the two housing parts ( 11 , 12 ) there is an intermediate wall ( 11 A) with at least one passage bore ( 11 B).

11. Compressor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the pistons ( 42 ) have circumferential grooves ( 43 ) for receiving piston rings.

12. Compressor unit according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the piston stroke is larger than the piston diameter.

13. Compressor unit according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a pressure of over 100 bar on the high pressure side, 140 bar is preferably generated.

14. Compressor unit according to one of the preceding claims, characterized in that it has a stroke volume of approximately 15-30 cm ³ .