DE10259289A1

DE10259289A1 - Hybridverdichtersystem

Info

Publication number: DE10259289A1
Application number: DE10259289A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Iwanami; Keiichi Uno; Yasushi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2003-07-17
Also published as: US20030118450A1; JP2003252042A; JP3855866B2; CN1459562A; KR20030055174A; KR100572749B1; FR2835293A1; CN1245571C; US6986645B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridverdichtersystem (100), das maximale Kühlfähigkeit bereitstellt, indem es einen zusätzlichen Elektromotor (130) in vollem Umfang nutzt, um die Kraftstoffverbrauchseffizienz eines Fahrzeugs zu verbessern, während sichergestellt ist, dass die Fahrgastzelle gekühlt wird, wenn der Fahrzeugantriebsmotor (10) gestoppt ist. Das Hybridverdichtersystem (100) umfasst eine Verdichtungseinheit (140) zum Verdichten eines Kältemittels, einen Elektromotor (130) zum Antreiben der Verdichtungseinheit (140) und eine Entkupplungseinrichtung (120) zum Entkuppeln der Antriebskraft eines Fahrzeugantriebsmotors (10). Wenn in dem Hybridverdichtersystem (100) die Wärmelast des Kältekreislaufs (200) in einem vorbestimmten Bereich eines Bereichs höherer Last liegt, rückt die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) ein, damit der Fahrzeugantriebsmotor (10) die Verdichtungseinheit (140) anzutreiben vermag. Wenn die Wärmelast des Kältekreislaufs (200) in einem Bereich niedrigerer Last des vorbestimmten Bereichs liegt, rückt die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) aus, damit der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) selbst dann anzutreiben vermag, wenn der Fahrzeugantriebsmotor (10) läuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridverdichtersystem für einen Kältekreislauf, der in einem Hybridfahrzeug bzw. einem Leerlaufstoppfahrzeug vorgesehen ist, das dazu ausgelegt ist, sich nicht über lange Zeitperioden hinweg im Leerlauf zu befinden.

Hybrid- bzw. Leerlaufstoppfahrzeuge werden kommerziell eingesetzt, um den zunehmenden Bedarf an krafteffizienten Fahrzeugen zu entsprechen, durch die man sich verspricht, dass der Kraftstoffgesamtverbrauch verringert wird. In diesen Fahrzeugen ist der Antriebsmotor (Verbrennungsmotor) dazu ausgelegt, in einigen Laufzuständen zu stoppen (beispielsweise während Ruhestopps im Fall des Leerlaufstoppfahrzeug und während Ruhestopps einer Fahrt bei niedrigen Geschwindigkeiten und während Startvorgängen oder der anfänglichen Fahrzeugbewegung im Fall des Hybridfahrzeugs). Der Antriebsmotorstopp führt dazu, dass die Verdichtungseinheit in dem Kältekreislauf, der durch den Antriebsmotor angetrieben wird, stoppt, wodurch Klimatisierung für die Fahrgastzelle nicht mehr bereit steht.

Zur Überwindung dieses Problems ist beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-130323 ein Hybridverdichter offenbart, bei dem die Drehung des Antriebsmotors eine Riemenscheibe und eine Verdichtungseinheit veranlasst, miteinander über eine elektromagnetische Kupplung Verbindung aufzunehmen, wobei die Drehwelle der Verdichtungseinheit sich in Gegenüberlage zu der Riemenscheibe befindet, die mit einem Elektromotor verbunden ist. Mit diesem Aufbau vermag der Elektromotor die Verdichtungseinheit anzutreiben, wenn die elektromagnetische Kupplung AUS-geschaltet wird, wenn der Antriebsmotor gestoppt ist. Dies erlaubt es, dass der Kältekreislauf selbst dann arbeitet, wenn der Antriebsmotor gestoppt ist, wodurch für das Fahrzeug Kühlfunktion bereit gestellt wird.

Angesichts der in dem vorstehend genannten Patent offenbarten Technik wird vorausgesetzt, dass der Elektromotor für den Betrieb der Verdichtungseinheit zuständig ist, um maximale Kühlfähigkeit zu erzielen, die für den Kältekreislauf erforderlich ist, wenn der Antriebsmotor gestoppt ist. In diesem Fall müssen sowohl ein Elektromotor wie eine externe Stromversorgung großer Bauform bereit gestellt werden, obwohl es in der Praxis wünschenswert ist, einen Elektromotor moderater Größe zu nutzen im Hinblick auf eine problemlose Montage des Elektromotors und sämtlicher damit verbundener Kosten. Dies erfordert außerdem, dass der Antriebsmotor läuft, wenn der Kühlvorgang ausgesetzt ist, was zu einer verringerten Kraftstoffwirtschaftlichkeit im Vergleich dazu führt, was ursprünglich erwartet worden ist.

Die Technik gemäß dem vorstehenden angesprochenen JP-Patent ist dazu ausgelegt, es dem Motor zu erlauben, die Verdichtungseinheit nur dann anzutreiben, wenn der Antriebsmotor gestoppt ist. Dieser zusätzliche Elektromotor ist deshalb nicht dazu vorgesehen, in Reaktion auf sämtliche möglichen Zustände des Fahrzeugs genutzt zu werden, wodurch die nachfolgend angeführten Probleme ungelöst bleiben.

Während beispielsweise der Antriebsmotor läuft, veranlassen Schwankungen bzw. Variationen der Drehzahl des Antriebsmotors die Verdichtungseinheit dazu, bezüglich ihres Betriebs zu schwanken bzw. zu variieren, was zu einem instabilen Kältemittelstrom führt. Dies beeinträchtigt den Wirkungsgrad des Kältekreislaufs. Ernsthafter hierbei ist, dass dies zu einer Beeinträchtigung der Kraftstoffeffizienz des Antriebsmotors führen kann sowie zur Beeinträchtigung der Fahrgastzellenumgebung, einschließlich Vibrationen und Geräusch, die in der Fahrgastzelle erzeugt werden und von den betriebsmäßigen Schwankungen bzw. Variationen der Verdichtungseinheit und des Antriebsmotors herrühren. Der verringerte Wirkungsgrad des Kältekreislaufs auf Grund von Variationen der Drehzahl des Antriebsmotors kann beseitigt werden, indem eine Verdichtungseinheit mit variabler Volumenkapazität verwendet wird, um die Austragmenge einzustellen. Dies führt jedoch dazu, dass die Verdichtungseinheit selbst teuer wird, und zu einem Absinken des Wirkungsgrads der Verdichtungseinheit, wenn sie bei verringerter Kapazität ihrer variablen Volumenkapazität betrieben wird, was zu einer Beeinträchtigung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Antriebsmotors führt.

Andererseits ist eine von einem Elektromotor angetriebene Verdichtungseinheit bekannt, die nicht durch den Antriebsmotor angetrieben werden muss (beispielsweise aus der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 11-159338). Die durch einen Elektromotor angetriebene Verdichtungseinheit ermöglicht es, den Einfluss zu vermeiden, der durch Variation bzw. Schwankungen des Drehzahl des Antriebsmotors während des Betriebs ausgeübt wird. Diese durch einen Elektromotor angetriebene Verdichtungseinheit macht es jedoch erforderlich, dass der Elektromotor bezüglich seiner Größe im Hinblick auf die maximale Kühlkapazität (wie vorstehend angesprochen) der Verdichtungseinheit ausgelegt wird, was es erforderlich macht, den Elektromotor wie der externen Stromversorgung größer zu machen.

Angesichts der vorstehend angesprochenen Probleme besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Hybridverdichtersystem zu schaffen, das maximale Kühlung durch Nutzung eines kleinen Elektrozusatzmotors bereit stellt, um den Verdichter anzutreiben und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu verringern unter Bereitstellung einer angemessenen Klimatisierung, wenn der Antriebsmotor gestoppt ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung schafft demnach in Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt ein Hybridverdichtersystem, aufweisend: Eine Verdichtungseinheit (140) zum Verdichten eines Kältemittels in einem Kältekreislauf (200), einen Elektromotor (130), der sich auf Grund von durch eine Stromquelle (20) zugeführtem Strom dreht, der die Verdichtungseinheit (140) antreibt, eine Entkupplungseinrichtung (120) zum Entkuppeln einer Antriebskraft eines Fahrzeugantriebsmotors (10), die zu der Verdichtungseinheit (140) übertragen wird, und eine Steuereinrichtung (150) zum Bereitstellen einer Steuerung derart, dass der Elektromotor (130) betrieben wird und die Entkupplungseinrichtung (120) die Entkupplung durchführen gelassen wird. Wenn in dem Hybridverdichtersystem eine Wärmelast des Kältekreislaufs (200) in einem vorbestimmten Bereich in einem Bereich höherer Last liegt, rückt die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) ein, damit der Fahrzeugantriebsmotor (10) die Verdichtungseinheit (140) antreiben kann. Wenn die Wärmelast des Kältekreislaufs (200) in einem Bereich niedrigerer Last im Vergleich zu dem vorbestimmten Bereich liegt, rückt die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) aus, um den Elektromotor (130) in die Lage zu versetzen, die Verdichtungseinheit (140) selbst dann anzutreiben, während der Fahrzeugantriebsmotor (10) läuft.

Dieses Merkmal erlaubt es, die primäre Antriebskraft des Fahrzeugantriebsmotors (10) zum Antreiben der Verdichtungseinheit (140) zu nutzen, um die Verdichtungseinheit mit ihrer maximalen Kapazität einzusetzen. Die maximale Kapazität der Verdichtungseinheit ist erforderlich, wenn die Wärmelast des Kältekreislaufs (200) in einem vorbestimmten Bereich im Bereich höherer Last oder in Richtung auf diesen zu liegen kommt, wie etwa während des Kühlbetriebs für das Fahrzeug.

Wenn die Fahrgastzelle gekühlt worden ist, um die Wärmelast für den Kältekreislauf (200) auf einen Bereich niedriger Last des vorbestimmten Bereichs zu verringern, kann der Elektromotor (130) deshalb, weil für die Verdichtungseinheit (140) ein reduzierter Betrieb erforderlich ist, in Übereinstimmung mit der Kapazität der Verdichtungseinheit (140) klein bemessen werden. D. h., der Elektromotor (130) muss nicht im Hinblick auf die maximale Wärmelast ausgelegt bzw. bezüglich seiner Größe gewählt werden, und er kann deshalb ebenso wie die Stromquelle (20) kleiner gemacht werden.

Der Elektromotor (130) vermag die Verdichtungseinheit (140) selbst dann anzutreiben, während der Antriebsmotor (10) läuft. Hierdurch werden Schwankungen bzw. Variationen des Betriebs der Verdichtungseinheit (140), begleitet von Schwankungen bzw. Variationen der Drehzahl des Antriebsmotors (10), unterbunden. Diese kombinierte Wirkung ermöglicht es, einen verbesserten Wirkungsgrad für den Kältekreislauf (200) bereit zu stellen. Über das Jahr hinweg liegt die Wärmelast typischerweise im Bereich geringerer Last während 80 bis 90% dieser Zeit. Diese 80 bis 90% finden üblicherweise mit Ausschluss des Kühlbetriebs während des Sommers statt. Dies erlaubt es, dass die Erhöhung des Wirkungsgrads des Kältekreislaufs (200) stark zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz des Antriebsmotors (10) beiträgt.

Der Elektromotor (130) treibt die Verdichtungseinheit (140) an, während die Entkupplungseinrichtung (120) ausgerückt bleibt. Dies ist der Fall ohne Vibrationen, hervorgerufen durch die Verdichtungseinheit (140) und sich ausbreitend zu dem Fahrzeugantriebsmotor (10) über den Riemen (50). Dies ermöglicht es, die Fahrt oder das damit verbundene Empfinden für den Fahrgast in der Fahrgastzelle im Hinblick auf Vibrationen und Geräusch zu verbessern.

Wenn der Fahrzeugantriebsmotor (10) gestoppt ist bzw. wird, kann der Elektromotor (130) außerdem als Energiequelle bzw. Antriebsquelle dienen, wie beim Stand der Technik, um die Verdichtungseinheit (140) anzutreiben, wodurch der Kühlbetrieb fortgesetzt wird.

Die Energie- bzw. Stromquellenverdichtungseinheit (140), d. h., der Fahrzeugantriebsmotors bzw. -verbrennungsmotor (10) und der Elektromotor (130) werden auf diese Weise alternativ genutzt, abhängig von dem Betriebszustand des Fahrzeugantriebsmotors (10) und der Wärmelast, die auf den Kältekreislauf (200) einwirkt, d. h., das Fahrgastzellenkühlausmaß, das erforderlich ist. Dies erlaubt ein Kühlen mit kleinem Elektromotor (130) und stellt für das Fahrzeug eine verbesserte Kraftstoffeffizienz bereit. Der Kühlbetrieb für die Fahrgastzelle ist außerdem möglich, wenn der Fahrzeugantriebsmotor (10) gestoppt ist.

In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung ist die Grenze zwischen dem Hochlastbereich (hohes Kühlerfordernis) und dem Niederlastbereich (geringes Kühlerfordernis) im Hinblick auf die Wärmelast durch die halbe Maximalleistung der Verdichtungseinheit (140) gezogen. Wenn mit anderen Worten die Verdichtungseinheit (140) mit halber Kühlkapazität oder höherer Kapazität gewählt wird, arbeitet die Verdichtungseinheit in einem Bereich höherer Last bzw. einem Bereich höheren Kühlerfordernisses. Dieser Bereich eines hohen Kühlerfordernisses entspricht der maximalen Wärmelastkühlkapazität. Wenn die Verdichtungseinheit (140) mit einer geringeren als der halben Kühlkapazität gewählt wird, arbeitet die Verdichtungseinheit in einem Bereich niedrigerer Last bzw. einem Bereich niedrigen Kühlerfordernisses.

Da der Leistungskoeffizient des Kältekreislaufs (200) (das Verhältnis des Kühlausmaßes entsprechend einer Wärmelast zu der Leistung der Verdichtungseinheit) abnimmt, wenn die Wärmelast zunimmt, nimmt das Verhältnis der Leistungserhöhung, die für die Verdichtungseinheit (140) erforderlich ist, zur Wärmelast zu. Im Gegensatz hierzu verringert eine geringe Verringerung der Wärmelast einen großen Teil der Leistung, die für die Verdichtungseinheit (140) erforderlich ist. Da die Wärmelast entsprechend der Hälfte der Maximalleistung oder weniger, typischerweise gleich 60 bis 70% der maximalen Wärmelast ist, was innerhalb des Bereichs entsprechend der normalen bis niedrigen Last für den Kältekreislauf (200) liegt, kann die Verdichtungseinheit (140) ohne Schwierigkeiten betrieben werden.

In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung ist die Kühlkapazität bei maximaler Wärmelast dazu in der Lage, eine Fahrgastzelle auf einer komfortablen Temperatur während der normalen Fahrt eines Fahrzeugs zu halten, wenn das Fahrzeug den direkten Sommersonnenstrahlen ausgesetzt ist.

In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung (150) einen Inverter (151) zum Invertieren der dem Elektromotor (130) zugeführten Leistung bzw. des Stroms. Die Erfindung ist derart ausgelegt, dass der Elektromotor (130) und der Inverter (151) mit einer bestimmten Kapazität bezüglich der maximalen Leistungsabgaben gewählt sind, um die Leistung der Verdichtungseinheit (140), die in dem Grenzbereich zwischen hoher Last und niedriger Last bezogen auf die Wärmelast erforderlich ist, zu liefern. Dies erlaubt es, dass der Elektromotor (130) und der Inverter (151) mit der niedrigsten Strommenge versorgt werden, die jedoch dazu geeignet ist, die Betriebsleistung der Verdichtungseinheit (140) in dem Bereich niedrigerer Last bereitzustellen, während der Elektromotor (130) weiterhin von kleiner Baugröße sein kann.

In Übereinstimmung mit einem fünften Aspekt der Erfindung handelt es sich bei der Verdichtungseinheit (140) um eine Verdichtungseinheit mit feststehender Volumenkapazität, die ein Austragvolumen pro Umdrehung aufweist, das mit einem vorab bestimmten Wert (V1) gewählt ist. Damit der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) antreiben kann, variiert die Steuereinrichtung (150) die Drehzahl des Elektromotors (130) zum Steuern des Austragausmaßes bzw. der Austragmenge aus der Verdichtungseinheit (140).

Hierdurch kann die Drehzahl des Elektromotors (130) die Austragmenge aus der Verdichtungseinheit (140) variieren, wodurch die Notwendigkeit entfällt, dass die Verdichtungseinheit (140) selbst mit einer Funktion zum Variieren der Austragmenge versehen ist. Dies erlaubt es, die Verdichtungseinheit (140) kostengünstig herzustellen. Ungeachtet eines Typs mit variabler Volumenkapazität wird im Fall der Verdichtungseinheit (140) mit feststehender Volumenkapazität der Wirkungsgrad zum Zeitpunkt einer geringen Austragmenge nicht signifikant verringert, und sie kann dadurch stets unter optimalen Bedingungen mit hohem Wirkungsgrad genutzt werden. Dies ermöglicht es, die Kraftstoffverbrauchseffizienz des Fahrzeugs zu verbessern.

In Übereinstimmung mit einem sechsten Aspekt der Erfindung ist eine Antriebseinheit (110), die durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben wird, auf einer Seite der Entkupplungseinrichtung (120) nahe am Fahrzeugantriebsmotor (10) vorgesehen. Eine Drehzahlerhöhungseinrichtung (170) zum Erhöhen der Drehzahl der Antriebskraft, die von dem Fahrzeugantriebsmotor (10) übertragen wird, ist zwischen der externen Antriebseinheit (110) und der Verdichtungseinheit (140), jedoch nicht zwischen dem Elektromotor (130) und der Verdichtungseinheit (140) vorgesehen. Die Verdichtungseinheit (140) wird bezüglich ihrer Drehzahl durch die Drehzahlerhöhungseinrichtung (170) erhöht, wenn die Verdichtungseinheit (140) durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben wird. Die Verdichtungseinheit (140) arbeitet synchron zur Drehzahl des Elektromotors (130), wenn die Verdichtungseinheit (140) durch den Elektromotor (130) angetrieben wird.

Diese Konfiguration erlaubt es der Drehzahl, eine maximale Austragmenge bereit zu stellen, die erforderlich ist, die Verdichtungseinheit (140) zu betreiben, die durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben wird. Dies wiederum erlaubt ist, dass die Verdichtungseinheit (140) ein kleineres Austragvolumen pro Umdrehung bereit stellt, wodurch die Verdichtungseinheit (140) mit verringerter Größe verwirklicht und mit geringeren Kosten hergestellt werden kann.

In Übereinstimmung mit einem siebten Aspekt der Erfindung umfasst das Hybridverdichtersystem außerdem eine Drehzahlsensoreinrichtung (40) zum Erfassen einer Drehzahl des Fahrzeugantriebsmotors (10) bzw. der Verdichtungseinheit (140). Wenn die Verdichtungseinheit (140) durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben wird und wenn eine durch die Drehzahlsensoreinrichtung (40) erfasste Drehzahl als größer oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl (Ns1) ermittelt wird, rückt die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) oder die Entkupplungseinrichtung (120) aus, damit der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) antreiben kann. Wenn die Drehzahl alternativ unter der vorbestimmten Drehzahl (Ns1) liegt, rückt die Steuereinrichtung (150), die Entkupplungseinrichtung (120) oder die Entkupplungseinrichtung (120) ein, um den Elektromotor (130) zu stoppen.

In dem Fall, dass die Verdichtungseinheit (140) mit hoher Drehzahl angetrieben wird, um die Austragmenge zu ermöglichen, die erforderlich ist, wie unter Bezug auf die sechste Ausführungsform der Erfindung erläutert, existiert eine begrenzende Drehzahl, die mit der Lebensdauer der Verdichtungseinheit (140) verbunden ist. Die Entkupplungseinrichtung (120) wird deshalb ausgerückt, um die Verdichtungseinheit (140) zu schützen, wenn die vorbestimmte Drehzahl Ns1 oder eine höhere Drehzahl erreicht ist. Bei geringerer Drehzahl des Fahrzeugantriebsmotors (10) wird die Verdichtungseinheit (140) erneut angetrieben, wodurch sichergestellt wird, dass keine Gefahr besteht, das Leistungsvermögen des Kältekreislaufs (200) signifikant zu beeinträchtigen. Außerdem ist der Elektromotor (130) dazu ausgelegt, die Verdichtungseinheit (140) anzutreiben, während die Entkupplungseinrichtung,(120) ausgerückt bleibt, wodurch es möglich ist, das Leistungsvermögen des Kältekreislaufs (200) im Wesentlichen aufrecht zu erhalten.

In Übereinstimmung mit einem achten Aspekt der Erfindung handelt es sich bei der Entkupplungseinrichtung (120) bevorzugt um eine elektromagnetische Kupplung (120). Wenn die Wärmelast, die auf den Kältekreislauf (200) einwirkt, in einem vorbestimmten Bereich in dem Bereich höherer Last liegt, rückt die Steuereinrichtung (150) gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung die Entkupplungseinrichtung (120) ein, damit der Fahrzeugantriebsmotor (10) und der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) antreiben können.

Dies erlaubt es, dass die Verdichtungseinheit (140) durch den Elektromotor (130) zusätzlich zu dem Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben wird, wodurch es möglich wird, die Austragmenge zu erhöhen und die Baugröße der Verdichtungseinheit (140) um dieses Ausmaß zu verringern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft und nicht beschränkend näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Kältekreislaufs, der in einem Hybridfahrzeug in Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Hybridverdichters von Fig. 1,
Fig. 3 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der Antriebsmotordrehzahl und der Drehzahl der Verdichtungseinheit,
Fig. 4 eine Kurvendarstellung der EIN- und AUS-Steuerung einer elektromagnetischen Kupplung relativ zu der Antriebsmotordrehzahl,
Fig. 5 ein Flussdiagramm der Betriebssteuerung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
Fig. 6A eine Kurvendarstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der Zeit,
Fig. 6B eine Kurvendarstellung der Antriebsmotordrehzahl als Funktion der Zeit,
Fig. 6C eine Kurvendarstellung der Drehzahl der Verdichtungseinheit als Funktion der Zeit,
Fig. 6D eine Kurvendarstellung der Betriebsbedingung der elektromagnetischen Kupplung als Funktion der Zeit,
Fig. 6E eine Kurvendarstellung der Elektromotordrehzahl als Funktion der Zeit,
Fig. 7 eine Kurvendarstellung des Wirkungsgrads der Verdichtungseinheit als Funktion der Austragmenge aus der Verdichtungseinheit,
Fig. 8 eine Kurvendarstellung des Konzept zum Ermitteln des Grenzbereichs zwischen einer hohen Last und einer niedrigen Last der Wärmelast,
Fig. 9 eine Querschnittsansicht eine Hybridverdichters in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Hybridverdichters in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Nunmehr wird eine spezielle Konfiguration in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die allgemein in Fig. 1 bis 8 gezeigt ist, unter Bezug auf Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Hybridverdichtersystem 100 auf einen Kältekreislauf 200 angewendet, der in einem Hybridfahrzeug vorgesehen ist, in dem der Fahrzeugmotor (im Folgenden Antriebsmotor bzw. Verbrennungsmotor genannt) 10 in Übereinstimmung mit seinen Laufbedingungen abgeschaltet wird. Das Hybridverdichtersystem 100 umfasst einen Hybridverdichter 101 und eine Steuereinrichtung 150, die als Steuereinrichtung dient. Außerdem weist das Hybridfahrzeug einen Elektromotorgenerator (einen elektrischen Generator) 30 auf, der direkt mit dem Antriebsmotor 10 verbunden ist, der mit einem Drehzahlsensor 40 zum Erfassen der Drehzahl des Antriebsmotors 10 versehen ist.
Der Kältekreislauf 200 hat die Funktion bekannter Kältekreisläufe und ist mit einer Verdichtungseinheit 140 versehen, die nachfolgend näher erläutert ist, und die den Hybridverdichter 101 bildet. Die Verdichtungseinheit 140 verdichtet ein Kältemittel, das im Kältekreislauf enthalten ist, auf hohe Temperaturen und hohe Drücke. Eine Kältemittelrohrleitung 240 ist nacheinander in geschlossener Schleife mit einem Verflüssiger (Kondensator) 210 zum kondensierenden Verflüssigen des verdichteten Kältemittels, mit einem Expansionsventil 220 zum adiabatischen Expandieren des verflüssigten Kältemittels, und mit einem Verdampfer 230 zum Verdampfen des expandierten Kältemittels und Kühlen von Luft versehen, die durch ihn hindurch strömt, und zwar mittels der Latentwärme, die aus der Verdampfung resultiert.
Stromaufwärts in dem Luftstrom ausgehend vom Verdampfer 230 ist ein Verdampfertemperatursensor 231 zum Erfassen der Temperatur von zuströmender Luft (oder alternativ der Temperatur von Außenluft) vorgesehen. In dieser Ausführungsform wird die Differenz zwischen der Temperatur der zuströmenden Luft und einer Zieltemperatur, festgelegt durch die Außenlufttemperatur, mit dem Luftdurchsatz multipliziert, um den erforderlichen Kühlvorgang zu definieren, der einer Wärmelast im Kältekreislauf 200 entspricht. Je größer die Differenz zwischen der Temperatur der zuströmenden Luft und der Zieltemperatur ist, und je höher der Durchsatz der Luft ist, die gekühlt werden soll, desto höher wird das erforderliche Kühlen (die Wärmelast) des Kältekreislaufs 200.
Das erforderliche Kühlen bzw. das Sollkühlen bei maximaler Wärmelast ist definiert als dasjenige Kühlen, das erforderlich ist, die Fahrgastzelle auf einer komfortablen Temperatur während des normalen Betriebs unter direkter Sonnenlichteinstrahlung im Sommer zu halten. Hierbei handelt es sich um die so genannte Abkühlfähigkeit im Sommer. An einem wolkenfreien Tag mit einer Außenlufttemperatur von 35 bis 40°C wird von dem Kühlsystem insbesondere erwartet, dass es in der Lage ist, die Fahrgastzelle unter normalen Fahrbedingungen entsprechend der 10,15-Betriebsart (bei 40 bis 60 km/h) auf etwa 25°C zu halten. Im Laufe eines gegebenen Jahrs tritt die maximale Wärmelast lediglich mit einer Frequenz von 10 bis 20% auf, während ein Mittelwert des niedrigen Pegels der Wärmelast während des Rest des Jahrs (mit einer Frequenz von 80 bis 90%) auftritt.
Der Hybridverdichter 101 besteht hauptsächlich aus einer Riemenscheibe 110, einer elektromagnetischen Kupplung 120, einem Elektromotor 130 und einer Verdichtungseinheit 140. Die Konfiguration wird unter Bezug auf Fig. 2 näher erläutert. Die Riemenscheibe 110, die als externe Antriebseinrichtung dient, weist in ihrem Zentralabschnitt eine Riemenscheibendrehwelle 112 auf, die durch ein Riemenscheibenlager 111 drehbar getragen ist, das in einem Elektromotorgehäuse 131 installiert ist. Mit dieser Konfiguration dreht der Antriebsmotor 10 eine Riemenscheibe 110 unter Nutzung eines Riemens 50 (siehe Fig. 1). Die Riemenscheibendrehwelle 112 ist durch ein Lager 113 getragen.
Die elektromagnetische Kupplung 120, die als Entkupplungseinrichtung dient, entkuppelt die Antriebskraft des Antriebsmotors 10, die zu der Verdichtungseinheit 140 übertragen wird, wie nachfolgend näher erläutert, und sie umfasst eine Wicklung 121, die an dem Elektromotorgehäuse 131 fest angebracht ist, und eine Nabe 122, die mit der Riemenscheibendrehwelle 112 verbunden ist. Wie bekannt, überträgt die elektromagnetische Kupplung 120 die Antriebskraft von dem Antriebsmotor 10 auf die Riemenscheibendrehwelle 112, wenn die Wicklung 121 erregt wird, wodurch die Nabe 122 angezogen und in Eingriff mit der Riemenscheibe 110 gebracht wird (die Kupplung ist EIN-geschaltet). Wenn hingegen die Wicklung 121 entregt bzw. nicht mit Strom versorgt wird, bewegt sich die Nabe 122 weg von der Riemenscheibe 110 und entkuppelt die Antriebskraft von dem Antriebsmotor 10 (die Kupplung ist AUS-geschaltet).
Bei dem Elektromotor 130 handelt es sich um einen Wechselstrom-Dreiphasen-Elektromotor, der einen Statorabschnitt 136 umfasst, der an der Inneumfangsfläche des Elektromotorgehäuses 131 fest angebracht ist, wobei auf ihm eine Wicklung vorgesehen ist, und einen Rotorabschnitt 135, der an einer Elektromotordrehwelle 132 angebracht ist. Die Elektromotordrehwelle 132 ist mittels eines Elektromotorlagers 133 drehbar getragen, das am Bodenabschnitt des Elektromotorgehäuses 131 vorgesehen ist, und mittels eines Elektromotorlagers 134, das in einer Trennplatte 137 vorgesehen ist. Die Elektromotordrehwelle 132 ist mit der Riemenscheibendrehwelle 112 verbunden, wie vorstehend angesprochen. Durch eine Batterie 20(siehe Fig. 1) zugeführter Strom, die als Stromversorgung für den Statorabschnitt 136 über einen Inverter 151 dient, veranlasst den Rotorabschnitt 135 und die Elektromotordrehwelle 132 dazu, drehangetrieben zu werden.
In dieser Ausführungsform handelt es sich außerdem bei der Verdichtungseinheit 140 um eine Verdichtungseinheit mit feststehender Volumenkapazität zur Bereitstellung eines vorbestimmten Austragvolumens (V1) pro Umdrehung oder, mehr im Einzelnen, um eine an sich bekannte Spiralverdichtungseinheit. Die Verdichtungseinheit 140 umfasst eine stationäre Spirale 144, die an einem Verdichtungseinheitsgehäuse 141 angebracht ist, und eine bewegliche Spirale 143, die mittels einer exzentrischen Welle (Antriebswelle) 142 exzentrisch umläuft, die mit der vorstehend genannten Elektromotordrehwelle 132 verbunden ist. Das Kältemittel wird durch einen Einlassanschluss 131a eingeleitet, der an dem Elektromotorgehäuse 131 vorgesehen ist, und durchsetzt ein Verbindungsloch 137a, das an der Trennplatte 137 vorgesehen ist. Das Kältemittel wird daraufhin in der Verdichtungskammer 145 verdichtet und aus einem Austraganschluss 141a ausgetragen, der an dem Verdichtungseinheitsgehäuse 141 vorgesehen ist, und zwar über eine Austragkammer 146. In diesem Hinblick wird das eingeleitete Kältemittel in Kontakt mit der Innenseite des Elektromotors 130 gebracht, wodurch der Elektromotor 130 gekühlt wird, um die Lebensdauer des Elektromotors 130 zu verlängern bzw. zu verbessern.
Wie in Fig. 1 gezeigt, empfängt die Steuereinheit 150 ein Drehzahlsignal, betreffend die Drehzahl des Antriebsmotors 10, von dem Drehzahlsensor 40, ein Wechselstromanforderungssignal bzw. -bedarfssignal, ein Temperatursignal von dem Verdampfertemperatursensor 231 u. dgl. In Übereinstimmung mit diesen Signalen ermittelt die Steuereinheit 150 die Wärmelast, die an dem Kältekreislauf 200 anliegt, um das Entkuppeln (das Ausrücken) der vorstehend genannten elektromagnetischen Kupplung 120 und den Betrieb des Elektromotors 130 zu steuern.
Mehr im Einzelnen rückt die Steuereinheit 150 die elektromagnetische Kupplung 120 für den Kühlbetrieb ein, in dem die Wärmelast, die auf den Kältekreislauf 200 einwirkt, in einen vorbestimmten Bereich in seinen Bereich höherer Last während des Sommers fällt. Alternativ wird davon ausgegangen, dass die Wärmelast des Kältekreislaufs 200 in einem Bereich niedrigerer Last als dem vorstehend genannten Bereich liegt, beispielsweise hauptsächlich während des normalen Laufs nach dem Kühlbetrieb oder während eines Stopps des Antriebsmotors 10. Selbst dann, wenn der Antriebsmotor 10 läuft, rückt in diesem Fall die Steuereinheit 150 die elektromagnetische Kupplung 120 aus. Wenn die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt ist, wird der Strom von der Batterie 20 durch den internen Inverter 151 ansprechend auf die Wärmelast, die auf den Kältekreislauf 200 einwirkt, zu diesem Zeitpunkt variiert, um den Elektromotor 130 anzutreiben, während die Betriebsdrehzahl dieses Elektromotors durch die Antriebskraft variiert wird, mit der die Verdichtungseinheit 140 angetrieben wird. Bei dem Inverter 151 handelt es sich um einen bekannten Wechselstrom-/Gleichstromumsetzer zum Umsetzen des Gleichstroms von der Batterie 20 in einen Wechselstrom und zum Einstellen des Ausgangsstroms zu dem Elektromotor 130 durch sechs interne Schaltelemente, die EIN- oder AUS-geschaltet werden.
In dieser Ausführungsform sind die Spezifikationen des Elektromotors 130 und der Verdichtungseinheit 140 in Übereinstimmung mit der Drehzahlkennlinie festgelegt, die in Fig. 3 gezeigt ist. Fig. 3 zeigt die Drehzahl der Verdichtungseinheit 140 als Funktion von derjenigen des Antriebsmotors 10. In Fig. 3 ist die Drehzahl der Verdichtungseinheit 140 durch die Linie "a" abhängig von dem Riemenscheibenverhältnis für die Verdichtungseinheit 140 dargestellt, die durch die Antriebskraft des Antriebsmotors 10 angetrieben wird. Es wird eine Fahrzeugfahrbedingung (Drehzahl des Antriebsmotors) für den Kühlbetrieb angenommen, bei dem der Kältekreislauf 200 der maximalen Wärmelast unterworfen ist, und es wird angenommen, dass die maximal erforderliche Drehzahl der Verdichtungseinheit 140 Na ist. Das Austragvolumen pro Umdrehung der Verdichtungseinheit 140 (ein vorbestimmter Wert) V1 wird in Übereinstimmung mit der Austragmenge V ermittelt, die zum Zeitpunkt durch die inverse Operation der Beziehung V = V1 × Na erforderlich ist.
Da der Elektromotor 130 die Verdichtungseinheit 140 zum Zeitpunkt des Kühlbetriebs nicht antreibt, wird der Elektromotor 130 in einem Bereich einer Drehzahl Nb (in Fig. 3 durch "b" bezeichnet) betrieben, bei der es sich etwa um die Hälfte der vorstehend genannten maximal erforderlichen Drehzahl Na handelt. Hierdurch wird die Baugröße des Elektromotors 130 verringert.
Wie in Fig. 4 gezeigt, wird in dieser Ausführungsform angenommen, dass die Verdichtungseinheit 140 mit dem Antriebsmotor 10 bei höherer Drehzahl angetrieben wird, als erforderlich. In diesem Fall wird die elektromagnetische Kupplung 120 entkuppelt bzw. ausgerückt, um die Verdichtungseinheit 140 zu schützen, wenn die Antriebsmotordrehzahl die vorbestimmte Drehzahl Ns1 oder eine höhere Drehzahl erreicht hat. Wenn hingegen die Antriebsmotordrehzahl unter eine Drehzahl Ns2 fällt, die auf einer niedrigeren Seite als die vorbestimmte Drehzahl Ns1 gewählt ist, wird die elektromagnetische Kupplung 120 erneut eingerückt, um die Verdichtungseinheit 140 anzutreiben. Während die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt bzw. entkuppelt ist, treibt der Elektromotor 130 gleichzeitig die Verdichtungseinheit 140 an, um den Kühlvorgang so gut wie möglich aufrecht zu erhalten.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform in Übereinstimmung mit dem vorstehend angesprochenen Aufbau wird nunmehr unter Bezug auf das in Fig. 5 gezeigte Flussdiagramm und das in Fig. 6 gezeigte Zeit- bzw. Zeitlaufdiagramm erläutert. Im Schritt S100 wird in Fig. 5 zunächst die Wärmelast, die auf den Kältekreislauf 200 einwirkt (oder die entsprechende Kühlkapazität) in Übereinstimmung mit der Temperatur der zuströmenden Luft von dem Verdampfertemperatursensor 231, der Zieltemperatur und dem Luftdurchsatz in dem Wechselstromanforderungssignal berechnet.
Wenn im Schritt S110 die Wärmelast in dem vorbestimmten Bereich in den Bereich höherer Last als im Abkühlbetrieb fällt, wird daraufhin im Schritt S120 die elektromagnetische Kupplung 120 eingerückt und der Antriebsmotor 10 treibt die Verdichtungseinheit 140 im Schritt S130 an.
Wenn die Ermittlung im Schritt S110 "Nein" ergibt, d. h., wenn die Wärmelast sich in einem niedrigeren Bereich als dem vorbestimmten Bereich befindet (oder wenn der Kühlvorgang die Fahrgastzelle abgekühlt hat, um die Wärmelast des Kältekreislaufs 200 zu verringern, und zwar auf eine von normalen Laufbedingungen), wird die elektromagnetische Kupplung 120 im Schritt S140 ausgerückt und der Elektromotor 130 beginnt daraufhin die Verdichtungseinheit 140 selbst dann anzutreiben, wenn der Antriebsmotor 10 läuft. In diesem Fall variiert bzw. schwankt die Drehzahl des Elektromotors 130 im Bereich der Drehzahl Nb abhängig von der Wärmelast zu dieser Zeit, um die Austragmenge aus der Verdichtungseinheit 140 zu ändern. Die elektromagnetische Kupplung 120 bleibt dabei ausgerückt.
Während der Antriebsmotor 10 die Verdichtungseinheit 140 in dem vorstehend genannten Schritt S130 antreibt, wird im Schritt S160 ermittelt, ob die Drehzahl des Antriebsmotors größer als oder gleich der vorbestimmten Drehzahl Ns1 ist. Es wird beispielsweise angenommen, dass der Antriebsmotor mit größerer Drehzahl als der normalerweise erwarteten laufen muss, wie etwa im Fall einer Bergfahrt, oder mit einer Drehzahl, die größer oder gleich der vorbestimmten Drehzahl Ns1 ist. In diesem Fall wird im Schritt S170 die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt und daraufhin beginnt der Elektromotor 130 in Schritt S180 die Verdichtungseinheit 140 anzutreiben. Wenn der Antriebsmotor eine Drehzahl unter der Drehzahl Ns2 im Schritt S190 erreicht hat, wird der Elektromotor 130 im Schritt S200 gestoppt und der Prozess kehrt daraufhin zum Schritt S120 zurück, wo die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt wird, um den Antriebsmotor 10 zu veranlassen, die Verdichtungseinheit 140 erneut anzutreiben. Wenn der Antriebsmotor 10 gestoppt wird, wie etwa beim Leerlauf mit einer auf den Kältekreislauf 200 einwirkenden Wärmelast, die im Bereich niedrigerer Last liegt, wird die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt, damit der Elektromotor 130 die Verdichtungseinheit 140 antreiben kann, um das Durchführen der Kühlfunktion fortzusetzen, und zwar in den Schritten S140 und S150.
In Übereinstimmung mit dem vorstehend genannten Aufbau und der vorstehend genannten Arbeitsweise werden bei der vorliegenden Erfindung folgende betriebsmäßige Effekte erzielt.
Wenn die auf den Kältekreislauf 200 einwirkende Wärmelast in einen vorbestimmten Bereich im Bereich höherer Last fällt, wie etwa während des Abkühlvorgangs, wird die primäre Antriebskraft des Antriebsmotors 10 verwendet, um die Verdichtungseinheit 140 mit ihrer höchsten Kapazität zu nutzen.
Wenn die Fahrgastzelle abgekühlt ist, wodurch die Wärmelast, die auf den Kältekreislauf 200 einwirkt, auf den Bereich niedrigerer Last als den vorbestimmten Bereich verringert ist, weil für die Verdichtungseinheit 140 eine geringere Kapazität erforderlich ist, kann der Elektromotor 130 auf diese Kapazität bemessen werden, die erforderlich ist, die Verdichtungseinheit 140 durch den Elektromotor 130 anzutreiben. D. h., der Elektromotor 130 muss nicht im Hinblick auf die maximale Wärmelast bemessen werden und er kann deshalb größenmäßig zusammen mit der Batterie 20 kleiner gemacht werden.
Der Elektromotor 130 treibt die Verdichtungseinheit 140 selbst dann an, wenn der Antriebsmotor 10 läuft. Dies beseitigt Variationen bzw. Schwankungen im Betrieb der Verdichtungseinheit 140, die mit Variationen bzw. Schwankungen der Drehzahl des Antriebsmotors 10 verbunden sind, wodurch es möglich wird, einen verbesserten Wirkungsgrad für den Kältekreislauf 200 bereit zu stellen. Im Lauf des Jahres tritt andererseits die Wärmelast im Bereich niedrigerer Last normalerweise mit Frequenzen von 80 bis 90% auf, wenn die Abkühlvorgänge während des Sommers außer Betracht bleiben. Dies erlaubt eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Kältekreislaufs 200, wodurch stark zur Verbesserung der Kraftstoffverbrauchseffizienz des Antriebsmotors 10 beigetragen wird.
Der Elektromotor 130 treibt die Verdichtungseinheit 140 an, während die elektromagnetische Kupplung 120 ausgekuppelt (ausgerückt) bleibt, ohne dass durch die Verdichtungseinheit 140 im Betrieb hervorgerufene Vibrationen auf den Antriebsmotor 10 über den Riemen 50 übertragen werden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Umgebung der Fahrgastzelle im Hinblick auf Vibrationen und Geräusch. Wenn der Fahrzeugmotor 10 gestoppt ist, kann der Elektromotor 130 auch als Antriebsquelle wie im Stand der Technik dienen, um die Verdichtungseinheit 140 anzutreiben, wodurch die Kühlfunktion fortgesetzt werden kann.
In dieser Weise werden die Kraftquellen bzw. Antriebsquellen für die Verdichtungseinheit 140, d. h., der Antriebsmotor 10 und der Elektromotor 130 abwechselnd abhängig von der Betriebsbedingung des Antriebsmotors 10 und der Wärmelast genutzt, die auf den Kältekreislauf 200 einwirkt. Dies ermöglicht es, sicherzustellen, dass die Kühlfähigkeit mit dem Elektromotor 130 sichergestellt wird, der verringert Baugröße aufweist und eine verbesserte Kraftstoffverbrauchseffizienz für das Fahrzeug bereit stellt, während die Kühlfunktion sichergestellt ist, die erforderlich ist, wenn der Antriebsmotor 10 gestoppt ist.
Wenn der Elektromotor 130 andererseits die Verdichtungseinheit 140 antreibt, wird die Drehzahl des Elektromotors 130 variiert, um eine Steuerung der Austragmenge aus der Verdichtungseinheit 140 bereit zu stellen. Dies erlaubt es, dass die Drehzahl des Elektromotors 130 die Austragmenge aus der Verdichtungseinheit 140 variiert, wodurch die Notwendigkeit entfällt, dass die Verdichtungseinheit 140 selbst mit der Funktion befasst ist, das Austragvolumen bereit zu stellen, wodurch es möglich ist, die Verdichtungseinheit 140 mit feststehender Volumenkapazität bei niedrigen Kosten herzustellen.
Im Gegensatz zu einer Einheit mit variabler Volumenkapazität leidet die Verdichtungseinheit 140 mit feststehender Volumenkapazität nicht signifikant an einem verringerten Wirkungsgrad während Zeiten einer geringen Austragmenge und sie kann deshalb stets mit hohem Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen eingesetzt werden. Dies macht es möglich, für das Fahrzeug eine verbesserte Kraftstoffverbrauchseffizienz bereit zu stellen. Wenn eine große Verdichtungseinheit vom variablen Volumenkapazitätstyp, angewendet auf eine maximale Wärmelast (in Fig. 1 durch "A" gezeigt), wie in Fig. 7 gezeigt, mit einer Austragmenge eingesetzt wird, die in Richtung auf den Bereich geringeren Volumens variiert wird, wird die Verdichtungseinheit veranlasst, während niedriger Lastbedingungen bei geringerem Wirkungsgrad der Verdichtungseinheit verwendet zu werden. Eine Verdichtungseinheit mit feststehender Volumenkapazität, deren Baugröße verringert ist, um ein Austragvolumen vorab angepasst für niedrige Lastbedingungen zu erfüllen (in Fig. 7 durch "B" gezeigt), stellt eine gesteuerte Drehzahl bereit und arbeitet bei dieser Austragmenge, wodurch es möglich ist, stets einen hohen Wirkungsgrad bereit zu stellen.
Da die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt ist bzw. wird, wenn die Antriebsmotordrehzahl größer oder gleich der vorbestimmten Drehzahl Ns1 ist, kann für die Verdichtungseinheit 140 ein Schutz bereit gestellt werden. Bei einer niedrigeren Drehzahl des Antriebsmotors 10 wird die Verdichtungseinheit 140 erneut angetrieben, wodurch sichergestellt wird, dass das Leistungsvermögen des Kältekreislaufs 200 nicht signifikant beeinträchtigt ist. Zu diesem Zeitpunkt muss der Elektromotor 130 auch die Verdichtungseinheit 140 antreiben, während die elektromagnetische Kupplung 120 ausgerückt bleibt, wodurch es möglich ist, das Leistungsvermögen des Kältekreislaufs 200 im Wesentlichen beizubehalten.
Es ist bevorzugt, die Grenze zwischen dem Bereich höherer Last und dem Bereich niedrigerer Last der Wärmelast, die auf das Kältekreislaufsystem 200 einwirkt, speziell zu definieren, wie in Fig. 8 gezeigt. Mit anderen Worten und wie vorstehend erläutert, kann der Wärmelastbereich derart definiert werden, dass er durch die halbe Leistung der Verdichtungseinheit 140 (MAX) umfasst sein kann, entsprechend der Kühlfähigkeit bzw. -kapazität, die bei der maximalen Wärmelast, wie etwa beim Abkühlbetrieb, erforderlich ist.
Da der Leistungskoeffizient des Kältekreislaufs 200 (das Verhältnis der Kühlfähigkeit entsprechend einer Wärmelast zu der Leistung der Verdichtungseinheit) kleiner wird, wenn die Wärmelast größer wird, nimmt das Verhältnis der Erhöhung der Leistung, die für die Verdichtungseinheit 140 erforderlich ist, zu der Wärmelast (Kühlfähigkeit) zu. Lediglich eine geringe Abnahme der Wärmelast verringert hingegen einen großen Teil der Leistung, die durch die Verdichtungseinheit 140 erforderlich ist. Da in diesem Fall die Wärmelast entsprechend einem Leistungspegel, der geringer oder gleich der halben maximalen Leistung ist, typischerweise 60 bis 70% der maximalen Wärmelast entspricht, was innerhalb des Bereichs entsprechend der normalen bis zur niedrigen Last liegt, mit der der Kältekreislauf 200 belastet ist, kann die Verdichtungseinheit 140 ohne Schwierigkeiten betätigt werden.
Der Elektromotor 130 und der Inverter 151 können bezüglich ihrer Kapazität so gewählt sein, dass sie die Leistung für die Verdichtungseinheit 140 bereit stellen, und zwar als maximale Leistungsabgabe, die erforderlich ist im Grenzbereich zwischen dem Bereich höherer Last und dem Bereich niedrigerer Last der Wärmelast. D. h., die Wahl des Grenzbereichs der Wärmelast, wie in Fig. 8 gezeigt, erlaubt es dem Elektromotor 130 und dem Inverter 151, eine Kapazität und Größe derart aufzuweisen, dass sie die Leistung, wie etwa die maximale Leistungsabgabe, gleich der Hälfte der maximalen Leistung der Verdichtungseinheit 140 bereit stellen. Dies erlaubt es, dass der Elektromotor 130 und der Inverter 151 mit einer ausreichenden, jedoch minimalen Kapazität bereit gestellt werden, während ihre Baugröße verringert ist.
Der Elektromotor 130 ist nicht auf einen Elektromotor mit feststehender Volumenkapazität vom Spiraltyp beschränkt; vielmehr kann es sich bei ihm um einen Kolben- oder Durchgangsflügeltyp handeln. Der Drehzahlsensor 40 kann auf der Seite der Verdichtungseinheit 140 so vorgesehen sein, dass die Drehzahl der Verdichtungseinheit entsprechend der vorbestimmten Drehzahl Ns1 festgelegt ist, um die Verdichtungseinheit 140 zu schützen.

(Zweite Ausführungsform)

Fig. 9 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der zweiten Ausführungsform ist ein Getriebemechanismus als Drehzahlerhöhungseinrichtung zwischen der Riemenscheibe 110 und der Verdichtungseinheit 140, insbesondere zwischen der Riemenscheibe 110 und dem Elektromotor 130 vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist der Getriebemechanismus in einem Planetengetriebe 170 verkörpert. Von den das Planetengetriebe 170 bildenden Zahnrädern ist ein Sonnenrad 171 mit der Elektromotordrehwelle 132 verbunden und ein Planetenrad 172 ist mit der Riemenscheibendrehwelle 112 verbunden. Ein Hohlrad 173, das den Außenumfangsabschnitt des Planetengetriebes 170 bildet, ist an einem vorstehenden Abschnitt 131b in der Nähe des Bodens des Elektromotorgehäuses 131 fest angebracht.
Diese Konfiguration erlaubt es, dass die Drehzahl die maximale Austragmenge bereit stellt, die erforderlich ist, die Verdichtungseinheit 140 durch den Antriebsmotor 10 zu betätigen. Dies wiederum erlaubt es der Verdichtungseinheit 140, ein kleineres Austragvolumen pro Umdrehung derselben bereit zu stellen, wodurch verwirklicht ist, dass die Verdichtungseinheit 140 verringerte Baugröße aufweist und kostengünstiger hergestellt werden kann. Der Getriebemechanismus ist jedoch nicht auf das Planetengetriebe 170 beschränkt, sondern kann auch eine Kombination aus üblichen Zahnrädern zur Drehzahlerhöhung nutzen.

(Weitere Ausführungsformen)

In den vorstehenden erläuterten ersten und zweiten Ausführungsformen ist die Verdichtungseinheit 140 als Verdichtungseinheit mit feststehender Volumenkapazität erläutert worden. Wie in Fig. 10 gezeigt, kann die Verdichtungseinheit 140 jedoch eine solche vom Taumelplattentyp mit variabler Volumenkapazität sein, in der der Hub eines Kolbens 148 abhängig vom Kippwinkel der Taumelplatte 147 variiert wird. Dies kann zu einer Beeinträchtigung des Verdichtungseinheitswirkungsgrads führen, dient jedoch dazu, den Wirkungsgrad des Kältekreislaufs 200 zu verbessern. Ferner ist es möglich, einen zusätzlich vergrößerten variablen Bereich für die Austragmenge der Verdichtungseinheit 140 vorzusehen, wenn sie durch den Elektromotor 130 betätigt ist.
Wenn die Wärmelast des Kältekreislaufs 200 in dem Bereich höherer Last liegt, kann der Elektromotor 130 gestartet werden, damit die Verdichtungseinheit 140 durch den Antriebsmotor 10 und den Elektromotor 130 angetrieben werden kann. Dies ermöglicht es, dass die Verdichtungseinheit 140 zusätzlich zu dem Antriebsmotor 10 durch den Elektromotor 130 angetrieben werden kann, wodurch es möglich ist, die Austragmenge zu vergrößern und die Baugröße der Verdichtungseinheit 140 entsprechend zu verringern. Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf Hybridfahrzeuge zur Anwendung gelangen, sondern auch auf so genannte Leerlaufstoppfahrzeuge, die dazu ausgelegt sind, den Antriebsmotor 10 zu stoppen, wenn das Fahrzeug angehalten wird.
Die Erläuterung der Erfindung erfolgte lediglich beispielhaft und diese Beispiele sind Abwandlungen im Umfang der Erfindung zugänglich, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Hybridverdichtersystem (100), aufweisend:
eine Verdichtungseinheit (140) zum Verdichten eines Kältemittels in einem Kältekreislauf (200),
einen Elektromotor (130), der durch eine Stromquelle (20) mit Strom versorgt wird, um zum Antrieb der Verdichtungseinheit (140) betriebsmäßig in Drehung versetzt zu werden,
eine Entkupplungseinrichtung (120) zum diskontinuierlichen Entkuppeln einer Antriebskraft eines Fahrzeugantriebsmotors (10), die zu der Verdichtungseinheit (140) übertragen wird, und
eine Steuereinrichtung (150) zum Bereitstellen einer Steuerung zum Betätigen des Elektromotors (130) und um die Entkupplungseinrichtung (120) einen Entkupplungsvorgang durchführen zu lassen, wobei
dann, wenn eine Wärmelast, die auf den Kältekreislauf (200) einwirkt, in einem vorbestimmten Bereich in einem Bereich höherer Last liegt, die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) einrückt, um den Fahrzeugantriebsmotor (10) zu veranlassen, die Verdichtungseinheit (140) anzutreiben, und
dann, wenn die Wärmelast, die auf den Kältekreislauf (200) einwirkt, in einem Bereich niedrigerer Last als diejenige gemäß dem vorbestimmten Bereich liegt, die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) ausrückt, damit der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) selbst dann antreiben kann, wenn der Fahrzeugantriebsmotor (10) läuft.

2. Hybridverdichtersystem (100) nach Anspruch 1, wobei eine Grenze zwischen dem Bereich höherer Last und dem Bereich niedrigerer Last der Wärmelast durch eine Wärmelast entsprechend einem halben Leistungspegel der Verdichtungseinheit (140) gezogen ist.

3. Hybridverdichtersystem (100) nach Anspruch 2, wobei die Kühlfähigkeit bei maximaler Wärmelast dazu geeignet ist, eine Fahrzeugfahrgastzelle auf einer komfortablen Temperatur während des normalen Betriebs zu halten, wenn das Fahrzeug Sonnenlicht ausgesetzt ist.

4. Hybridverdichtersystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (150) einen Inverter (151) zum Invertieren von Strom umfasst, der dem Elektromotor (130) zugeführt werden soll, und der Elektromotor (130) und der Inverter (151) mit einer Kapazität gewählt sind hinsichtlich maximaler Leistungsabgabe, dass sie der Verdichtungseinheit (140) Leistung zuführen, die in den Grenzbereich zwischen dem Bereich höherer Last und dem Bereich niedriger Last der Wärmelast zu liegen kommt.

5. Hybridverdichtersystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verdichtungseinheit (140) eine Verdichtungseinheit mit feststehender Volumenkapazität ist, die ein Austragvolumen pro Umdrehung aufweist, das einen vorbestimmten Wert besitzt, und die Steuereinheit (150), damit der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) antreiben kann, eine Drehzahl des Elektromotors (130) variiert, um eine Austragmenge aus der Verdichtungseinheit (140) zu steuern.

6. Hybridverdichtersystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das System (100) außerdem aufweist:
eine externe Antriebseinrichtung (110), die durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben ist, der auf einer Seite der Entkupplungseinrichtung (120) vorgesehen ist, die näher am Fahrzeugantriebsmotor (10) gelegen ist, und eine Drehzahlerhöhungseinrichtung (170) zum Erhöhen einer Drehzahl der Antriebskraft, die von dem Fahrzeugantriebsmotor (10) übertragen wird, und die zwischen der externen Antriebseinrichtung (110) und der Verdichtungseinheit (140), jedoch nicht zwischen dem Elektromotor (130) und der Verdichtungseinheit (140) vorgesehen ist, wobei
die Verdichtungseinheit (140) bezüglich ihrer Drehzahl durch die Drehzahlerhöhungseinrichtung (170) erhöht wird, wenn die Verdichtungseinheit (140) durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben ist, und
die Verdichtungseinheit (140) synchron zur Drehzahl des Elektromotors (130) sich dreht, wenn die Verdichtungseinheit (140) durch den Elektromotor (130) angetrieben ist.

7. Hybridverdichtersystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, außerdem aufweisend:
eine Dtehzahlsensoreinrichtung (40) zum Erfassen einer Drehzahl des Fahrzeugantriebsmotors (10) bzw. der Verdichtungseinheit (140), wobei
dann, wenn die Verdichtungseinheit (140) durch den Fahrzeugantriebsmotor (10) angetrieben ist und eine durch die Drehzahlsensoreinrichtung (40) erfasste Drehzahl als größer oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl ermittelt wird, die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) ausrückt bzw. die Entkupplungseinrichtung (120) ausrückt, damit der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) anzutreiben vermag, und
dann wenn die Drehzahl unter der vorbestimmten Drehzahl liegt, die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungseinrichtung (120) einrückt bzw. die Entkupplungseinrichtung (120) einrückt, um den Elektromotor (130) zu stoppen.

8. Hybridverdichtersystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Entkupplungseinrichtung (120) eine elektromagnetische Kupplung (120) ist.

9. Hybridverdichtersystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei dann, wenn die auf den Kältekreislauf (200) einwirkende Wärmelast in dem vorbestimmten Bereich in dem Bereich höherer Last liegt, die Steuereinrichtung (150) die Entkupplungeseinrichtung (120) einrückt, damit der Fahrzeugantriebsmotor (10) und der Elektromotor (130) die Verdichtungseinheit (140) antreiben können.