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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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Ein
Zylinderblock für
einen derartigen Verdichter ist aus der
DE 100 51 429 A1 bekannt.
Dieser weist mehrere etwa gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete
Zylinderbohrungen auf, die jeweils zur Aufnahme eines insbesondere
mit Kolbenringen versehenen Kolbens dienen. Der Zylinderblock weist
ferner ein gesondertes scheiben- bzw. ringförmiges Einsatzbauteil aus hochverschleißfestem Material
auf, in dem die Zylinderbohrungen ausgebildet sind. Auch der Einsatz
eines derartigen Zylinderblocks bedingt eine Verschraubung desselben
mit dem Zylinderkopf und dem Gehäuse,
wie sie vorstehend näher
geschildert ist.
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Ein
weiterer Verdichter der Axialkolbenbauart ist aus der
DE 196 09 818 A1 bekannt.
Auch beim Gegenstand der
DE
196 09 818 A1 sind ein Zylinderkopf, ein Zylinderblock
sowie ein Gehäuse
mittels massiver Schrauben miteinander verbunden. Die massive Verschraubung
bedingt auch bei diesem Verdichter einen erhöhten Materialeinsatz insbesondere
in Höhe
von Axialrippen, wodurch das Gewicht des Verdichters ungünstig beeinflußt wird.
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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. 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 einstückiger
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 „l" 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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- 10
- Gehäuse (bzw.
Gehäuse-Längshälfte in 1)
- 11
- Anschlußflansch
- 12
- Durchgang
für Antriebswelle
- 13
- Triebwerksraum
- 14
- Sackloch
(mit Innengewinde)
- 15
- Schraubenkopf
- 16
- Unterlegscheibe
- 17
- Vorsprung
- 18
- Unterlegring
