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Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter
für Fahrzeugklimaanlagen,
insbesondere CO2-Verdichter, bestehend aus
Zylinderkopf, Zylinderblock und einem einen Triebwerksraum begrenzenden
Gehäuse, wobei
wenigstens ein Teil dieser Bauteile mittels gleichmäßig über deren
Umfang verteilt angeordnete Schrauben miteinander verschraubt sind.
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Derartige Axialkolbenverdichter sind
allgemein bekannt, z.B. aus der
JP 2001-132629 A . Bei der bekannten Konstruktion
sind Zylinderkopf, Zylinderblock und Gehäuse mittels sich durch alle
drei Bauteile hindurch erstreckender Schrauben miteinander verschraubt.
Dementsprechend lang müssen
die Verbindungsschrauben ausgebildet sein. Prinzipiell ist es natürlich auch
denkbar, dass die Verschraubung nur für einen Teil der vorgenannten
Bauteile vorgesehen ist, während
der Rest mittels gesonderter Schrauben zusammengehalten wird.
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Die Anzahl der Schrauben wird durch
die Anzahl der Kolben/Zylinder-Einheiten des Verdichters vorgegeben,
da die Schrauben jeweils zwischen zwei benachbarten Kolben/Zylinder-Einheiten
platziert werden.
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Wird CO2 als
Kältemittel
verwendet, treten relativ hohe Drücke auf mit der Folge, dass
die vorgenannten Verbindungsschrauben nicht zu klein dimensioniert
werden dürften. Üblich sind
M10-Schrauben. Derart groß dimensionierte
Schrauben haben natürlich
ein entsprechend hohes Gesamtgewicht des Verdichters zur Folge,
wobei hinzukommt, dass bei derart großen Schrauben auch die miteinander
zu verbindenden Bauteile entsprechend groß bemessen werden müssen, um
die Schrauben aufnehmen zu können.
Das vorgenannte Problem tritt verstärkt bei einer Verdichter-Baureihe
mit unterschiedlichem Hubvolumen auf. Das Hubvolumen wird bei einer
Verdichter-Baureihe
in der Regel durch die Anzahl der Kolben/Zylinder-Einheiten bestimmt. Dementsprechend
wird die Verschraubung nach dem Verdichter mit der kleinsten Anzahl
von Kolben/Zylinder-Einheiten ausgelegt; denn dort ist die geringste
Anzahl von Verbindungsschrauben möglich. Da die Verschraubung
dann aber auch für
eine größere Anzahl
von Kolben/Zylinder-Einheiten geeignet sein muß, wird klar, dass sie für einen
Verdichter mit einer geringeren Anzahl von Kolben/Zylinder-Einheiten überdimensioniert
ist.
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Die üblicherweise verwendeten M10-Schrauben
haben zur Folge, dass das in der Regel topfförmige Gehäuse Axialrippen aufweist, d.h.
sich axial erstreckende Bereiche erhöhter Wandstärke zur Aufnahme der vorgenannten
Verbindungsschrauben. Dementsprechend ungleichmäßig ist die Wandstärke des
Gehäuses über dessen
Umfang. Das Gewicht des Gehäuses
wird nicht unwesentlich durch das zusätzliche Gewicht der Axialrippen
bestimmt, wobei diese sich vornehmlich radial nach außen erstrecken.
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Es sei an dieser Stelle auch noch
vermerkt, dass zwischen den einzelnen Verdichterbauteilen in der Regel
sog. Metallsickendichtungen mit Elastomerbeschichtung angeordnet
sind. Die Abdichtung mittels derartiger Dichtungen wird umso problematischer,
je weniger Schrauben verwendet werden, da die Abstände zwischen
den Verbindungsschrauben dann zu groß werden, um noch eine gleichmäßige Verpressung
der Dichtung über
deren Umfang zu erreichen. Leckagen nach längerer Betriebsdauer sind dann
unvermeidlich. Die vorgenannten Axialrippen des Gehäuses erhöhen also
die Bauteilmasse erheblich. Dies gilt auch und insbesondere bei
einem Gehäuse
aus Aluminium. Hinzu kommt natürlich
die bereits erwähnte
zusätzliche
Masse der relativ groß dimensionierten
Schrauben.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand
der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialkolbenverdichter
der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei im Vergleich zum
Stand der Technik unveränderter
Festigkeit erheblich leichter gebaut ist, der sich also durch reduziertes
Gewicht auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei
vorteilhafte konstruktive Details in den Unteransprüchen beschrieben
sind.
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Durch die erfindungsgemäße Verschraubung
der einzelnen Bauteile oder wenigstens eines Teils derselben ist
es möglich,
erheblich schlanker dimensionierte Schrauben einzusetzen, d.h. Schrauben
mit erheblich geringerem Durchmesser. Allein schon durch diese Maßnahme kann
Masse bzw. Gewicht eingespart werden. Gleichzeitig wird damit möglich, das
Gehäuse
mit einer geringeren Wandstärke
auszubilden. Für
den Fall, dass im Bereich der Verschraubung das Gehäuse radial
nach außen
und/oder nach innen erweitert werden muß, ist die entsprechende radiale
Erstreckung über
die Gehäusewand
hinaus relativ gering. Sie beträgt
maximal etwa 40 bis 60 % der übrigen
Gehäusewandstärke.
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Zur Verdeutlichung der Gewichtsreduzierung
allein durch die Anordnung von Schraubenpaaren mit Schrauben kleineren
Durchmessers sei auf nachstehendes Beispiel verwiesen:
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Des weiteren erhält man durch die Anordnung
von Schraubenpaaren eine gleichmäßigere Verschraubung
und damit Anpressung der Dichtflächen,
wodurch Leckagen auch nach längerem
Betrieb des Verdichters ausgeschlossen sind. Dies gilt insbesondere
an Stellen, an denen Metallsickendichtungen verwendet werden.
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Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, die
Länge der
einzelnen Schrauben so gering wie möglich zu halten. Dementsprechend
gering kann dann auch die radiale Erweiterung der Gehäusewand
bzw. entsprechender Gehäuserippen
auf das 2,5 bis 3,5-fache des Schraubendurchmessers reduziert werden.
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Ganz allgemein sei erwähnt, dass
der maximale Durchmesser des in der Regel topfförmigen Gehäuses bzw. des Flanschbereiches
desselben etwa dem maximalen Durchmesser aller anderen miteinander
verschraubten Bauteile des Axialkolbenverdichters entspricht. Dementsprechend
bestimmt der Durchmesser des Flanchbereiches des Gehäuses den
Durchmesser des Zylinderblocks und auch des Zylinderkopfes. Dies
bedeutet, dass bei Reduzierung des Flanschbereiches des Gehäuses sich
auch die übrigen
Bauteile hinsichtlich des äußeren Durchmessers
entsprechend reduzieren lassen. Es ist augenscheinlich, dass dann
das Gesamtgewicht des Verdichters im Vergleich zum Stand der Technik
erheblich geringer ist.
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Wie bereits erwähnt, sind die erfindungsgemäßen Schraubenpaare
jeweils zwischen zwei benachbarten Kolben/Zylinder-Einheiten angeordnet,
so dass bei 5, 6 oder 7 Kolben/Zylinder-Einheiten 10, 12, 14 Schrauben
vorgesehen sind.
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Falls das Gehäuse, welches in der Regel topfförmig ausgebildet
ist, aus Stahl besteht, kann die Wandstärke aufgrund der Festigkeit
von Stahl relativ gering gehalten werden. Außerdem ist – wenn überhaupt – nur eine geringfügige Verrippung
im Bereich der Verschraubung notwendig. Zur Veranschaulichung werden
nachstehend zwei Beispiele genannt: Beispiel
1 (Verdichtergehäuse
aus Stahl):
Gehäuse-Innendurchmesser
im Flanschbereich: 80 mm | Gehäuse-Außendurchmesser
im Flanschbereich: 100 mm |
Verwendung von 14 M6-Schrauben | Wandstärke
des Gehäuses
außerhalb
des Flanschbereiches: 5...7 mm |
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Das vorgenannte Beispiel zeigt, dass
im Bereich der Verschraubung eine radiale Erweiterung der Gehäusewand
um nur etwa 3 mm erforderlich ist.
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Beispiel
2 (Gehäuse
aus Aluminium):
Gehäuse-Innendurchmesser
im Flanschbereich: 80 mm | Gehäuse-Außendurchmesser
im Flanschbereich: 114 mm |
Verwendung von 7 M10-Schrauben | Die Gehäusewandstärke außerhalb
des Flanschbereiches: 10...11 mm |
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Im Bereich der Verschraubung ist
eine Zusatzwandstärke
von etwa 6 mm erforderlich.
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Die vorgenannten Beispiele zeigen
im übrigen
auch, dass bei gleichem Innendurchmesser die Wandstärke bei
Aluminium deutlich größer ist.
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Schließlich sei noch erwähnt, dass
sich bei der Berechnung der Bauteilmasse der Gehäuse-Durchmesser quadratisch
eingeht.
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Sofern das Gehäuse insgesamt mit einer geringeren
Wandstärke
konzipiert werden kann, d.h. im Bereich außerhalb des Anschlussflansches,
ist natürlich
auch der Gehäuseboden
entsprechend dünn
ausgebildet. Auch dies trägt
zur Gewichtsreduzierung bei.
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Sofern das Gehäuse aus Stahl hergestellt ist,
kann auch die Einschraublänge
reduziert werden. Dementsprechend kürzere Schrauben kommen zur
Anwendung mit der Folge, dass auch dadurch das Gewicht zusätzlich reduziert
werden kann.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist
es denkbar, sämtliche
Verdichterbauteile mit durchgehenden Schrauben miteinander zu verbinden.
Alternativ werden nur zwei oder drei Bauteile miteinander verschraubt, z.B.
Zylinderblock und Ventilplatte, oder Gehäuse und Zylinderblock.
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Sofern das Gehäuse aus Stahl hergestellt ist,
beträgt
die Wandstärke
etwa 6 bis 7 mm, während
die Wandstärke
eines Aluminium-Gehäuses
etwa 10 bis 11 mm ist.
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Vorzugsweise ist jedem Schraubenpaar
eine gemeinsame Unterlegscheibe, d.h. Doppel-Unterlegscheibe zugeordnet.
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Alternativ kann auch sämtlichen
Schraubpaaren ein gemeinsamer Unterlegring zugeordnet sein, der sich über den
gesamten Umfang des Verdichtergehäuses etc. erstreckt.
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Bei Verwendung von gemeinsamen Unterlegscheiben
für jedes
Schraubenpaar können
diese mit Vorsprüngen,
Ausnehmungen, Befestigungsaugen oder -klammern od. dgl. Maßnahmen
zur Positionierung und/oder Befestigung weiterer Bauteile am Gehäuse versehen
sein.
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Das Gehäuse ist vorzugsweise als einstöckiger Topf
ausgebildet. Alternativ ist es denkbar, dass Gehäuse rohrartig mit einem stirnseitigen
Verschlussdeckel auszubilden.
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Bei nach innen ragenden Gehäuserippen
im Bereich der Verschraubung dienen diese vorzugsweise zugleich
als Verdrehsicherung für
die Axialkolben. Die entsprechenden Gleitflächen sind jeweils zwischen
zwei benachbarten inneren Gehäuserippen
ausgebildet.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Konstruktion
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Gehäuselängshälfte eines
Axialkolbenverdichters mit erfindungsgemäß ausgebildeter Verschraubung
in perspektivischer Ansicht;
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2 einen
Axialkolbenverdichter in perspektivischer Ansicht von der der Antriebsriemenscheibe
gegenüberliegenden
Seite des Verdichters her unter Darstellung der erfindungsgemäßen Verschraubung;
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3 eine
einem Schraubenpaar zugeordnete gemeinsame Unterlegscheibe in perspektivischer
Ansicht;
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4 eine
andere Ausführungsform
einer einem Schraubenpaar zugeordneten Unterlegscheibe, ebenfalls
in perspektivischer Ansicht; und
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5 ein
der gesamten Verschraubung zugeordneter Unterlegring in perspektivischer
Ansicht.
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In 1 ist
eine Längshälfte eines
kopfartigen Stahlgehäuses
für einen
Axialkolbenverdichter in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das
Gehäuse
ist hier mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Der Anschlussflansch
weist die Bezugsziffer 11 auf. Im Gehäuseboden befindet sich ein
Durchgang 12 für
eine hier nicht näher
dargestellte Antriebswelle, die sich axial durch das Gehäuse 10 hindurcherstreckt.
Das Gehäuse 10 begrenzt
einen Triebwerksraum 13, innerhalb dem ein Taumelscheiben/Schrägscheiben-Mechanismus wirksam
ist. Im Anschlussflansch 11 sind gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordnete Sacklöcher 14 ausgebildet,
die jeweils paarweise über
den Umfang verteilt angeordnet sind. Innerhalb der Sacklöcher 14 ist ein
Innengewinde ausgebildet, in welches axiale Verbindungsschrauben
einschraubbar sind.
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Im Bereich der Sacklöcher 14 ist
die Wandstärke
der Gehäusewand
radial nach innen erweitert unter Ausbildung entsprechender innenliegender
Längsrippen.
Auch im Außenbereich
ist die Gehäusewand
im Bereich der Verschraubung etwas erweitert, und zwar über eine
Länge des
etwa 2,5 bis 3,5-fachen Sackloch- bzw. Schraubendurchmessers. Im übrigen ist
die Gehäusewand
minimal dimensioniert. Die Länge „1" des radial nach
außen
erweiterten Flanschbereiches beträgt etwa 1...1,5x Schraubendurchmesser
(z. B. M6) plus 4...5 mm zusätzliche
Sacklochlänge
plus 5...6 mm Restwandstärke,
d.h. insgesamt etwa 15...20 mm.
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In 2 ist
die hier fragliche Verschraubung im Bereich des Zylinderkopfes zu
erkennen, und zwar die Schraubköpfe 15. 2 zeigt sehr deutlich die
paarweise Anordnung der Verbindungsschrauben. Aufgrund des reduzierten
Durchmessers des topfförmigen
Gehäuses 10 sowie
entsprechender Verdichter-Bauteile ist natürlich auch der Platz für die Schraubköpfe 15 eingeschränkt. Zur
Kompensation ist jedem Schraubenpaar vorzugsweise eine gemeinsame
Unterlegscheibe 16 zugeordnet. Insbesondere bei Verwendung
von Aluminium als Werkstoff für
den Zylinderkopf sind Unterlegscheiben der hier fraglichen Art vorteilhaft,
da sie die Flächenpressung
infolge der Schraubenkräfte
auf ein zulässiges
Maß beschränken.
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Zu erkennen ist in 2 auch der Vorteil der paarweisen Schraubenanordnung
im Hinblick auf weitere Bauteile, die am Zylinderkopf befestigt
werden müssen,
wie z.B. Regelventile.
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Die Unterlegscheiben können eine
spezielle Kontur (siehe z.B. 4)
oder gesonderte Befestigungsaugen/-klammern od. dgl. Maßnahmen
zur Positionierung und/oder Befestigung weiterer Bauteile am Gehäuse aufweisen.
Die Unterlegscheibe gemäß 4 unterscheidet sich von
derjenigen gemäß 3 dadurch, dass sie an einer
Seite zwei diametral zueinander angeordnete Vorsprünge 17 besitzen,
mittels denen ein Bauteil am Gehäuse
positioniert und fixiert werden kann. Bei der Ausführungsform
nach 2 erfolgt mittels
der erwähnten
Vorsprünge
die Fixierung eines Regelventils bzw. des Spulenteils.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar,
sämtlichen
Schrauben einen gemeinsamen Unterlegring 18 entsprechend 5 zuzuordnen.
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Die Unterlegscheiben gemäß den 3 und 4 sowie ggf. auch der Unterlegringe gemäß 5 können vorzugsweise durch Stanzen
aus einem entsprechenden Materialbogen hergestellt werden.
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Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass
die beschriebene Verschraubung platzsparend in die Wandung eines
Verdichtergehäuses
integriert werden kann, wobei mindestens eines der beiden aneinanderstoßenden Bauteile,
nämlich
Gehäuse
und Zylinderblock aus einem hochfesten Stahl bestehen.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen der
Zylinderblock ebenso wie der Zylinderkopf innerhalb eines topfförmigen Gehäuses angeordnet
sind. Alternativ können
jedoch außenseitig
Zylinderblock/Zylinderkopf bündig
mit dem topfförmigen
Gehäuse
abschließen.
Auf die erfindungsgemäße Verschraubung
der vorgenannten Teile soll dies grundsätzlich keine Auswirkung haben.
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Der Zylinderblock besteht vorzugsweise
aus Aluminium. Er kann jedoch ebenso wie das Gehäuse aus Stahl hergestellt sein.
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Der Innendurchmesser des in der Regel
topfförmigen
Gehäuses
beträgt
bei den herkömmlichen
Ausführungsformen
etwa 75...85 mm. Im Bereich des Anschlussflansches beträgt der Außendurchmesser
dann etwa 95 bis 105 mm unter der Voraussetzung, dass das Gehäuse innenseitig über den
Umfang glatt ausgebildet ist, d.h. innenseitig keine Erweiterungen
in Form von Innenrippen od. dgl. aufweist. Das Gehäuse soll
im Bereich des Anschlussflansches maximal eine Wandstärke von
etwa 9 bis 15 mm aufweisen. Im übrigen
beträgt
die Wandstärke
des Gehäuses
4,5 bis 7 mm.
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Die radiale Erweiterung der Gehäusewand
im Bereich des Anschlussflansches erfolgt entweder nach außen oder
nach innen oder sowohl nach außen
als auch nach innen unter Ausbildung entsprechender Axialrippen.
Diese sollen jedoch maximal nur etwa 3 bis 4 mm über die Gehäusewand radial vorstehen.
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Als Verbindungsschrauben dienen vorzugsweise
Schrauben der Größe M7, M6
oder M5, wobei die Anzahl der Schrauben von der Anzahl der Kolben/Zylinder-Einheiten
abhängt.
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Die Schrauben gehören vorzugsweise zu Schrauben
der Festigkeitsklasse 10.9.
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Die Abdichtung zwischen den einzelnen
Bauteilen des Axialkolbenverdichters erfolgt durch Anordnung von
elastomerbeschichteten Metallsickendichtungen zwischen den einzelnen
Bauteilen, die dann mittels der erfindungsgemäßen Verschraubung ausreichend
verpresst werden, um auch nach längerem
Betrieb keine Leckagen auszulösen.
Die Sicke der hier verwendeten Metallsickendichtungen liegt innerhalb des
gedachten Umfangs, über
den die Schraubenpaare etwa gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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Das topfförmige Gehäuse kann durch ein sog. Fliesspressverfahren
hergestellt werden, und zwar so, dass es nicht mehr spanabhebend
nachgearbeitet werden muß,
und zwar insbesondere auch nicht im Bereich der oben beschriebenen
Kolbenverdrehsicherung.
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Alternativ kann das topfförmige Gehäuse auch
durch Schmieden hergestellt werden.
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Am topfförmigen Gehäuse können Befestigungsaugen/-klammern
zur Befestigung des Verdichters am Fahrzeug oder zur Befestigung
von ein oder mehreren weiteren Bauteilen vorgesehen sein. Vorzugsweise
sind die Befestigungsaugen/-klammern auf dem Gehäuse axial verschiebbar angeordnet,
um sie einbaugerecht positionieren zu können. Es ist auch denkbar,
die Befestigungsaugen/-klammern am Gehäuseumfang gemäß einem
vorgegebenen Raster anzubringen, um unterschiedliche Befestigungsspezifikationen
erfüllen
zu können.
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Vorzugsweise weisen die am topfförmigen Gehäuse angeordneten
Befestigungsaugen/-klammern hinsichtlich
ihrer Befestigungsbohrung am Gehäuse
einerseits und ihrer Befestigungsbohrung am Fahrzeug andererseits
einen axialen „Offset' auf, und zwar vorteilhafter
Weise so, dass durch Drehung der Klammern und des „Offset' mit einer einzigen
Klammerkonfiguration zwei unterschiedliche Befestigungsspezifikationen erfüllt werden
können.
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Die Befestigungsaugen/-klammern können aus
Stahl oder Aluminium hergestellt sein.
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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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- Gehäuse (bzw.
Gehäuse-Längshälfte in
Figur 1)
- 11
- Anschlußflansch
- 12
- Durchgang
für Antriebswelle
- 13
- Triebwerksraum
- 14
- Sackloch
(mit Innengewinde)
- 15
- Schraubenkopf
- 16
- Unterlegscheibe
- 17
- Vorsprung
- 18
- Unterlegring