DE10300683B4

DE10300683B4 - Hybridverdichter

Info

Publication number: DE10300683B4
Application number: DE10300683A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Kariya Iwanami
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2023-01-11
Also published as: US20030133809A1; US6874996B2; JP2003206858A; DE10300683A1; JP3700650B2

Abstract

Hybridverdichter mit einem elektromotorischen Antrieb (140) und einem externen Antrieb (10), aufweisend:
erste und zweite Verdichtungselemente (131 und 132), die unabhängig voneinander bewegbar sind, und in denen Fluid durch Variieren der Volumenkapazität eines Verdichtungsraums verdichtet wird, der zwischen dem ersten Verdichtungselement (131) und dem zweiten Verdichtungselement (132) vorgesehen ist, bei einer Drehung oder Bewegung des ersten Verdichtungselements (131) relativ zu dem zweiten Verdichtungselement (132);
einen Elektromotor (140), der bei Empfang von Strom von einer externen Stromquelle (20) in Drehung versetzbar ist; und
eine angetriebene Riemenscheibe (110), die angetrieben ist durch eine Antriebskraft, die von dem externen Antrieb (10) übertragen wird;
wobei das erste Verdichtungselement (131) mit der angetriebenen Riemenscheibe (110) verbunden ist, und wobei das zweite Verdichtungselement (132) mit dem Elektromotor (140) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hybridverdichtervorrichtung, bevorzugt zur Anwendung für einen Kältekreislauf, der in einem Fahrzeug vorgesehen ist, das einen Leerlauf-Stopp-Mechanismus aufweist, in dem ein Motor (im Folgenden Antriebsmotor bzw. Fahrmotor genannt) stoppt, wenn das Fahrzeug während der Fahrt vorübergehend anhält.
Ein einen Leerlauf-Stopp-Mechanismus enthaltendes Fahrzeug ist kürzlich mit dem Ziel auf den Markt gebracht worden, den Kraftstoffverbrauch zu verringern. In diesem Fahrzeug wird ein Verdichter für einen Kältekreislauf, der durch einen Antriebsmotor angetrieben ist, zwangsweise gestoppt, wenn der Antriebsmotor während eines vorübergehenden Halts des Fahrzeugs während dessen Fahrt stoppt. Der Kältekreislauf arbeitet während einer Periode, wenn der Antriebsmotor stoppt, nicht als Kühler.
Die US-A-6375436 offenbart eine Hybridverdichtervorrichtung, in der das vorstehend angesprochene Problem überwunden ist. In Übereinstimmung mit dieser Hybridverdichtervorrichtung steht eine Riemenscheibe, auf die die Drehkraft des Antriebsmotors übertragen wird, über eine elektromagnetische Kupplung mit einem Verdichter in Verbindung und ein Elektromotor ist mit einer Drehwelle des Verdichters auf einer Seite gegenüberliegend zur Riemenscheibe verbunden. Wenn bei diesem Aufbau der Antriebsmotor stoppt, wird die elektromagnetische Kupplung ausgeschaltet bzw. ausgerückt und der Elektromotor treibt den Verdichter an. Der Kältekreislauf ist deshalb stets betriebsbereit, um eine Kühlfunktion durchzuführen, ungeachtet dessen, ob der Antriebsmotor stoppt oder nicht.
In der vorstehend genannten Hybridverdichtervorrichtung wird jedoch der Elektromotor ausschließlich zum Antreiben des Verdichters genutzt, wenn der Antriebsmotor stoppt, und er wird nicht als Antriebseinheit genutzt, die unter einer von mehreren Fahrzeugfahrbedingungen vollständig betätigbar ist.
Die Kapazität des Verdichters ist dazu ausgelegt, einer maximalen Wärmelast zu entsprechen, die in dem Kältekreislauf anfällt. Die Wärmelast zeigt einen Maximalwert typischerweise in einer Zeitphase raschen Abkühlens (einem Abkühlzeitraum) unmittelbar nachdem der Antriebsmotor während der sommerlichen Jahreszeit startet. Die Förderleistung des Verdichters muss dann relativ groß sein, um den maximalen Wärmelastanforderungen zu entsprechen. Wenn der Verdichter ausschließlich durch den Antriebsmotor angetrieben wird, dessen Betrieb von den Fahrzeugfahrbedingungen abhängt, führt die größere Förderleistung des Verdichters zu einer größeren Bauform des Verdichters.
US 1 828 245 A beschreibt einen Verdichter mit einem Verdichtungselement, welches exzentrisch in einer Bohrung bewegt wird.
US 5 295 808 A beschreibt einen Spiralverdichter, bei welchem ein Paar von Spiralelementen synchron durch jeweilige Motoren angetrieben werden.
US 5 490 769 beschreibt einen Spiralkompressor mit einer orbitierenden Spirale und einer Basisspirale, welche beide in einem Verdichtergehäuse angeordnet und über einen Rotationsverhinderungsmechanismus gekoppelt sind. Im Betrieb wird die orbitierende Spirale kontinuierlich durch eine Antriebswelle angetrieben. Die Basisspirale kann durch einen Elektromagneten gebremst werden.
US 6 230 507 B1 beschreibt einen Hybridverdichter, welcher selektiv durch einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor angetrieben werden kann.
US 6 234 769 B1 geht auf eine frühere Anmeldung der Anmelderin zurück und beschreibt einen weiteren Hybridverdichter, bei welchem eine Einwegekupplung zwischen einem magnetischen Rotor und einer Rotorwelle angeordnet ist, wodurch eine durch einen Elektromotor erzeugte Antriebskraft nur von dem Rotor auf die Welle übertragen wird.
JP 02 227 576 A beschreibt einen Spiralkompressor mit einem rotierenden Flügel und einem schwingenden Flügel, wobei letzterer sich gegenüber ersterem exzentrisch bewegt, indem diese mit jeweiligen Motoren angetrieben werden.
JP 05 001 678 A beschreibt einen weiteren Spiralverdichter mit zwei rotierenden Spiralen mit jeweils einem Elektromotor.
JP 11 030 182 A beschreibt einen Verdichter mit variabler Förderleistung, bei welchem eine Einwegekupplung zwischen einer Riemenscheibe und einer Welle angeordnet ist.
JP 11 037 046 A ist eine frühere Anmeldung der Anmelderin und beschreibt einen weiteren Spiralverdichter mit Einwegekupplung.
JP 11 093 876 A beschreibt einen weiteren Spiralverdichter der Anmelderin, bei welchem ein Drehzahl-Änderungsmechanismus vorgesehen ist.
JP 55 096 390 A beschreibt eine Antriebseinrichtung für einen Verdichter, bei welchem zwei Impeller durch jeweils einen Elektromotor angetrieben wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hybridverdichtervorrichtung mit kompakter Bauform zu schaffen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit anderen Worten umfasst der erfindungsgemäße Hybridverdichter einen Verdichter, in dem Fluid durch Variieren des Volumens eines Verdichtungsraums verdichtet wird, der zwischen einem ersten Verdichtungselement und einem zweiten Verdichtungselement vorgesehen ist, die unabhängig voneinander bewegbar sind. Der Hybridverdichter weist ferner einen Elektromotor, der drehbar ist durch Aufnahme von Strom von einer externen elektrischen Quelle, und eine angetriebene Riemenscheibe, die drehbar angetrieben ist durch Motorkraft, die von einer externen Antriebsquelle übertragen wird. In dem vorstehend genannten Hybridverdichter ist das erste Verdichtungselement mit der angetriebenen Riemenscheibe verbunden und der zweite Verdichter ist mit dem Elektromotor verbunden.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine Hybridverdichtervorrichtung geschaffen, die dahingehend betreibbar ist, eine angemessene Kühlfunktion selbst dann zu gewährleisten, wenn der Antriebsmotor stoppt.
Ferner wird eine Hybridverdichtervorrichtung geschaffen, die in Übereinstimmung mit verschiedenen Fahrzeugfahrbedingungen wirksam betreibbar ist.
Es ist bevorzugt, dass die Hybridverdichtervorrichtung eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs bzw. der Betätigung des Elektromotors aufweist.
Wenn das angetriebene Element das erste Verdichtungselement antreibt und die Steuereinrichtung den Elektromotor derart steuert, dass der Elektromotor das zweite Verdichtungselement in einer Drehrichtung entgegengesetzt zu derjenigen des ersten Verdichtungselements bei normaler Fahrzeugfahrt getrennt antreibt, nimmt die Drehzahl des ersten Verdichtungselements relativ zu dem zweiten Verdichtungselement stärker zu, so dass eine Fördermenge des Verdichters stärker zunimmt im Vergleich zu demjenigen einer Hybridverdichtervorrichtung nach dem Stand der Technik, in der das zweite Verdichtungselement sich stets im Ruhezustand befindet. Der Verdichter des Hybridverdichters nach der Erfindung kann eine größere Austragkapazität bei kompakterem Aufbau aufweisen.
Wenn andererseits das angetriebene Element das erste Verdichtungselement antreibt und das zweite Verdichtungselement zusammen mit dem ersten Verdichtungselement in derselben Drehrichtung drehangetrieben wird wie das erste Verdichtungselement, und wenn in diesem Zustand das Drehausmaß des zweiten Verdichtungselements gemeinsam mit dem ersten Verdichtungselement durch die Steuereinrichtung, die induzierten in dem Elektromotor zu erzeugenden Strom steuert, eingestellt wird, nimmt die Drehzahl des ersten Verdichtungselements relativ zu dem zweiten Verdichtungselement zu, so dass die Förderleistung des Verdichters größer wird. Die Förderleistung des Verdichters kann dadurch problemlos in Übereinstimmung mit den Fahrzeugfahrbedingungen geändert werden, ohne dass ein Mechanismus mit variabler Kapazität eingesetzt werden muss.
Wenn die externe Antriebsquelle sich im Ruhezustand befindet, wird das angetriebene Element nicht angetrieben und das erste Verdichtungselement stoppt. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Elektromotor das zweite Verdichtungselement antreibt, ist der Hybridverdichter jedoch in der Lage, die Kühlfunktion kontinuierlich durchzuführen.
Als Alternative kann der Elektromotor auf seiner Motorwelle mit einer Einwegkupplung versehen sein, die es der Motorwelle erlaubt, ausschließlich in der einen Drehrichtung entgegenge setzt zu derjenigen des angetriebenen Elements sich zu drehen.
Wenn das erste Verdichtungselement durch das angetriebene Element in einem Zustand angetrieben wird, in dem der Elektromotor ausgeschaltet ist, verhindert die Einwegkupplung, dass das zweite Verdichtungselement sich zusammen mit dem ersten Verdichtungselement dreht, so dass der Verdichter als gewöhnlicher Verdichter betreibbar bzw. betätigbar ist.
Da in diesem Fall der induzierte Strom in dem Elektromotor nicht erzeugt wird, wird die Motorkraft bzw. Antriebskraft, die von der externen Antriebsquelle übertragen wird, nutzlos verbraucht und die Steuerung des Induktionsstroms in dem Elektromotor ist nicht erforderlich.
Zusätzlich zu der Einwegkupplung kann außerdem eine elektromagnetische Kupplung zwischen dem ersten Verdichtungselement und dem angetriebenen Element vorgesehen sein. Die elektromagnetische Kupplung dient dazu, eine Stromübertragung bzw. Energieübertragung zwischen dem ersten Verdichtungselement und dem angetriebenen Element derart zu ermöglichen bzw. unterbrechen, dass eine Flüssigkeits-Förderleistung bzw. eine Flüssigkeits-Förderleistung aus dem Verdichter durch Ändern der Betätigungsfrequenz des Verdichters variiert wird.
Es ist bevorzugt, dass der Verdichter ein solcher mit konstanter Kapazität ist, demnach eine Förderleistung pro Drehung des ersten Verdichtungselements relativ zu dem zweiten Verdichtungselement einen festen vorgegebenen Wert aufweist. Der Verdichter selbst ist dadurch kostengünstig realisierbar. Selbst dann, wenn der Verdichter ein solcher mit konstanter Förderleitung und nicht mit einem Mechanismus variabler För derleistung versehen ist, kann die Förderleistung des Verdichters problemlos variiert werden durch Steuern der Betätigungsvorgänge für den Elektromotor und die elektromagnetische Kupplung.
Ferner weist der Elektromotor bevorzugt einen Rotor und einen Stator auf, auf den eine Wicklung bzw. Spule gewickelt ist. Strom von der externen elektrischen Quelle wird direkt an die Wicklung ohne eine Stromübertragungsschnittstelle, wie etwa einen Schleifring angelegt, so dass die Konstruktion des Elektromotors einfach und kostengünstig ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Gesamtaufbau eines Kältekreislaufs, der eine Hybridverdichtervorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 eine Querschnittsansicht des Hybridverdichters von 1;
3 ein Flussdiagramm von Steuervorgängen einer elektromagnetischen Kupplung und eines Elektromotors in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform;
4 eine Kennlinie der Beziehung zwischen der Verdichterdrehzahl, der Riemenscheibendrehzahl und der Elektromotordrehzahl in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform;
5 ein Zeitdiagramm der Beziehungen zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Antriebsmotordrehzahl, der Verdichterdrehzahl, der Elektromotordrehzahl und dem Ein-/Ausschaltbetrieb der elektromagnetischen Kupplung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform;
6 eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Hybridverdichters in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform;
7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII von 6;
8 eine Querschnittsansicht eines Hybridverdichters in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform; und
9 eine Kennlinie der Beziehung zwischen der Verdichterdrehzahl, der Riemenscheibendrehzahl und der Elektromotordrehzahl in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform.
Eine erste Ausführungsform (der vorliegenden Erfindung) wird nunmehr unter Bezug auf 1 bis 4 erläutert.
Wie in 1 gezeigt, kommt eine Hybridverdichtervorrichtung 100 in einem Kältekreislauf 200 zur Anwendung, der in einem Fahrzeug mit einem Leerlauf-Stopp-Mechanismus vorgesehen ist, demnach ein Antriebsmotor (externe Antriebsquelle) 10 bei einem vorübergehenden Halt des Fahrzeugs während seiner Fahrt stoppt. Die Hybridverdichtervorrichtung 100 umfasst einen Hybridverdichter 101 und eine Steuereinrichtung 150 zum Steuern des Hybridverdichters 101. Ein Elektromotorgenerator bzw. eine Lichtmaschine (Generator) 30, der bzw. die Strom bei Empfang einer Antriebskraft von dem Antriebsmotor 10 erzeugt, eine Batterie 20 als externe elektrische Stromquelle und ein Drehzahlsensor 40 zum Ermitteln der Drehzahl des Antriebsmotors 10 sind am Antriebsmotor 10 angebracht.
Der Kältekreislauf 200, der ein bekannter Kältekreislauf sein kann, besteht aus der Hybridverdichtervorrichtung 100 mit dem Hybridverdichter 101, der einen Verdichter 130 zum Verdichten von Kältemittel in dem Kältekreislauf auf einen Hochdruck-Hochtemperaturzustand aufweist, aus einem Verflüssiger 210 zum Verflüssigen des Kältemittels in einem Flüssigphasenzustand, aus einem Expansionsventil 220 zum adiabatischen Expandieren des Kältemittels im Flüssigphasenzustand, und aus einem Verdampfer 230 zum Kühlen von Luft, die durch ihn hindurchtritt auf Grund von Latentwärme durch Verdampfung des darin expandierenden Kältemittels. Der Verdichter 130, der Verflüssiger 210, das Expansionsventil 220 und der Verdampfer 230 sind in dieser Abfolge durch Kühlmittelrohre 240 verbunden, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden. Der Verdampfer 230 ist auf einer stromabwärtigen Seite der Luft vorgesehen, die ihn durchströmt, mit einem Verdampfertemperatursensor 231 zum Ermitteln der Temperatur der gekühlten Luft (Verdampferrückseitenlufttemperatur Te). Die Differenz zwischen der Verdampferrückseitenlufttemperatur Te und einer Zieltemperatur, die durch einen Fahrgast zur Klimatisierung gewählt wird, stellt die Wärmelast des Kältekreislaufs 300 dar. Wenn der Wert der Differenz zwischen der Verdampferrückseitenlufttemperatur Te und der Zieltemperatur größer wird, wird der Wert der Wärmelast des Kältekreislaufs 300 größer.
Der Hybridverdichter 101 besteht aus einer Riemenscheibe 110 als angetriebenes Element, das durch die externe Antriebsquelle angetrieben wird, aus einer elektromagnetischen Kupplung 120 als Energie- bzw. Kraftübertragungsunterbrechungselement, aus einem Elektromotor 140 und dem Verdichter 130.
Wie in 2 gezeigt, hält ein Riemenscheibenlager 111, das in dem Verdichtergehäuse 133 vorgesehen ist, drehbar die Riemenscheibe 110. Die Riemenscheibe 110 ist in ihrem Zentrum mit einer sich drehenden Riemenscheibenwelle 112 versehen, die durch Lager 113 und 114 gehalten wird. Die Riemenscheibe 110 wird drehangetrieben durch die Antriebskraft des Antriebsmotors 10, die auf diese über einen Riemen 50 übertragen wird (siehe 1).
Die elektromagnetische Kupplung 120 dient dazu, die Übertragung der Antriebskraft des Antriebsmotors 10 von der Riemenscheibe 110 auf den Verdichter 130 zu ermöglichen und zu unterbrechen. Die elektromagnetische Kupplung 120 besteht aus einer Wicklung 121, die an dem Verdichtergehäuse 133 befestigt ist, und aus einer Nabe 122, die mit der sich drehenden Riemenscheibenwelle 112 durch einen Bolzen 115 verbunden ist. Die elektromagnetische Kupplung 120 arbeitet in bekannter Weise. Bei Erregung bzw. Stromversorgung der Wicklung 121 wird die Nabe 122 an die Riemenscheibe 110 derart angezogen, dass die antreibende Kraft des Antriebsmotors 10 auf die sich drehende Riemenscheibenwelle 112 (Kupplung eingeschaltet bzw. eingerückt) übertragen wird. Andererseits kommt bei Entregung der Wicklung 121 die Nabe 122 von der Riemenscheibe 110 frei, so dass die Übertragung der Antriebskraft von dem Antriebsmotor 10 unterbrochen wird (die Kupplung ist ausgeschaltet bzw. ausgerückt).
Der Verdichter 130 bildet einen Hauptbestandteil der vorliegenden Erfindung. Eine Grundeinheit bzw. Basiseinheit eines Verdichters mit konstanter Förderleitung, dessen Fördermenge pro Umdrehung konstant ist, insbesondere eine Grundeinheit eines an sich bekannten Spiralverdichters kann in der ersten Ausführungsform als Verdichter 130 zum Einsatz kommen. In Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform ist die Abmessung des Verdichters 130 kleiner als diejenige des herkömmlichen Verdichters, der ausschließlich durch die Riemenscheibe 110 angetrieben wird, weil der Verdichter 130 sowohl durch die Riemenscheibe 110 wie durch den Elektromotor 140 in Über einstimmung mit den Werten der Wärmelast angetrieben wird, die für den Kältekreislauf 200 anfällt bzw. erforderlich ist. Die Kapazität des Verdichters 130, der ausschließlich durch die Riemenscheibe 110 angetrieben wird, um der maximalen Wärmelast zu entsprechen, ist deutlich kleiner als diejenige eines Verdichters nach dem Stand der Technik (etwa 1/2 bzw. 1/3 so groß wie diejenige des Verdichters nach dem Stand der Technik).
Eine erste bewegliche Spirale 131 als erstes Verdichtungselement und eine zweite bewegliche Spirale 132 als zweites Verdichtungselement, die miteinander kämmen, sind in dem Verdichtergehäuse 133 enthalten. Die ersten und zweiten beweglichen Spiralen 131 und 132 können sich unabhängig voneinander bewegen. Die erste bewegliche Spirale 131 befindet sich im Gleitkontakt mit einer Exzenterwelle 134, die mit der sich drehenden Riemenscheibenwelle 112 verbunden ist und läuft um die exzentrische Welle 134 in Übereinstimmung mit der Drehung der exzentrischen Welle 134 um. Die Eigendrehung der selbstbeweglichen Spirale 131 wird verhindert durch einen Drehverhinderungsmechanismus 136, der aus einem Hauptkörper 136a und einem Drehverhinderungsbolzen bzw. -stift 136b besteht, so dass der Drehverhinderungszapfen 136b in eine Führungsnut 131a eingreift, die in der ersten beweglichen Spirale 131 vorgesehen ist. Der Hauptkörper des Drehverhinderungsmechanismus 136 befindet sich in engem Kontakt mit einem Außenumfang der zweiten beweglichen Spirale 132 bzw. ist mit diesem fest verbunden, damit kein Kältemittel in die ersten und zweiten beweglichen Spiralen 131 und 132 hineinleckt.
Die zweite bewegliche Spirale 132 ist mit einer Motorwelle (Antriebswelle) 142 des Elektromotors 140 verbunden und bei Empfang einer Antriebskraft von dem Elektromotor 140 drehbar.
Der Elektromotor 140 besteht aus einem Stator (einem feststehenden Element) 145 mit einer Wicklung 145a, die am Innenumfang eines Motorgehäuses 141 fest angebracht ist, und aus einem Rotor (einem sich drehenden Element) 146, das an der Motorwelle 142 fest angebracht und auf einem Außenumfang mit einem Permanentmagneten 146a versehen ist. Die Motorwelle 142 wird durch Motorlager 143 und 144 gehalten, die in dem Motorgehäuse 141 vorgesehen sind. Die Motorwelle 142 ist in einem Hohlraum 142a vorgesehen, durch den Kühlmittel fließt. Wenn elektrischer Strom an den Stator 145 von einer Batterie 20 (siehe 1) angelegt wird, werden der Rotor 146 und die Motorwelle 142 drehend angetrieben.
Eine Einwegkupplung 160 ist an dem Motorgehäuse 141 auf einer Axialendseite bzw. Stirnseite der Motorwelle (rechte Endseite in 2) fest angebracht. Wenn der Elektromotor 140 bei Empfang von elektrischem Strom von der Batterie 20 angetrieben wird, dient die Einwegkupplung 160 dazu, dass die Motorwelle 142 sich ausschließlich in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung der Riemenscheibe 110 dreht. D. h., wenn die Motorwelle 142 sich in derselben Drehrichtung wie die Riemenscheibe 110 dreht, wird die Motorwelle 142 mit der Einwegkupplung 160 derart in Eingriff gebracht, dass ihre Drehung verhindert wird.
Das Kühlmittel in dem Kältekreislauf 200 strömt in den Verdichter 130 ausgehend von einem Ansauganschluss 133a, der in dem Verdichtergehäuse 133 vorgesehen ist, und daraufhin in eine Verdichtungskammer 135 ausgehend von Ansaugbohrungen 136c, die in dem Drehverhinderungsmechanismus 136 vorgesehen sind, und es wird durch die Relativbewegung der ersten und zweiten beweglichen Spiralen 131 und 132 verdichtet. Daraufhin wird das verdichtete Kältemittel über eine Austragbohrung 132a, die in der zweiten beweglichen Spirale 132 vorgesehen ist, und den Hohlraum 142a der Motorwelle 142 aus einem Austraganschluss 141a ausgetragen, der in dem Motorgehäuse 141 vorgesehen ist.
Um eine Leckage von Kältemittel aus dem Verdichtergehäuse 133 zur Außenseite auf einer Seite der Riemenscheibe 110 und aus dem Motorgehäuse 141 zur Außenseite auf einer Seite des axialen Endes der Motorwelle 142 zu verhindern, sind Dichtungseinrichtungen 170 zwischen den Lagern 113 und 114 und zwischen dem Austraganschluss bzw. der Austragöffnung 141a und der Einwegkupplung 160 vorgesehen.
Wie in 1 gezeigt, werden verschiedene Signale, wie etwa ein Antriebsmotordrehzahlsignal von dem Drehzahlsensor 40, ein A/C-(Klimatisierung)Anforderungssignal und ein Temperatursignal von einem Verdampfertemperatursensor 231 in die Steuereinrichtung 150 eingegeben. Die Steuereinrichtung 150 beurteilt bzw. ermittelt die Wärmelast des Kältekreislaufs 200 auf Grundlage der Signale, die in sie eingegeben werden, und steuert sowohl die Einschaltvorgänge wie Ausschaltvorgänge der elektromagnetischen Kupplung 120 und die Betätigung bzw. den Betrieb des Elektromotors 140 in Übereinstimmung mit Fahrzeugfahrbedingungen. Die Steuereinrichtung 150 ist mit einer Stromzufuhrsteuereinheit (beispielsweise Transistoren und Pulssteuereinheiten) versehen, in der der dem Elektromotor 140 zuzuführende Strom variabel so gesteuert wird, dass die Drehzahl des Elektromotors 140 variabel ist.
Die Arbeitsweise der Steuereinrichtung 150 und des Hybridverdichters 101 wird nachfolgend erläutert. Steuervorgänge der elektromagnetischen Kupplung 120 und des Elektromotors 140 durch die Steuereinrichtung 150 werden zunächst unter Bezug auf ein in 3 gezeigtes Flussdiagramm erläutert.
Nachdem der Antriebsmotor 10 gestartet ist und der Kältekreislauf 200 betätigt wurde, wird die Wärmelast des Kältekreislaufs 200 im Schritt S100 auf Grundlage der Differenz zwischen der Verdampferrückseitenlufttemperatur Te und der Zieltemperatur berechnet. Im Schritt S110 wird ermittelt, ob das maximale Fördermenge des Verdichters 130 benötigt wird oder nicht. Zum Abkühlzeitpunkt, wenn die Wärmelast des Kältekreislaufs 200 den Maximalwert zeigt, typischerweise während der Sommerzeit unmittelbar nach dem Anlassen des Fahrzeugs, wird die maximale Fördermenge benötigt. In diesem Fall wird im Schritt S120 die elektromagnetische Kupplung 120 eingeschaltet (eingerückt) und der Elektromotor 140 wird betätigt.
Wenn die Antwort auf die Ermittlung im Schritt S110 negativ ist, und wenn im Schritt S130 auf Grundlage der Antriebsmotordrehzahl ermittelt wird, dass der Antriebsmotor 10 nicht stoppt, sondern weiterhin läuft, d. h., während des Zeitpunkts der normalen Fahrt, wird typischerweise nach dem Abkühlzeitpunkt die elektromagnetische Kupplung 120 eingeschaltet und die Betätigung bzw. der Betrieb des Elektromotors 140 wird gestoppt. Wenn im Schritt S160 ermittelt wird, dass die Fördermenge relativ zu der Wärmelast zu diesem Zeitpunkt im Überschuss vorliegt, wird im Schritt S160 beurteilt, dass die elektromagnetische Kupplung 120 wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, um die Fördermenge in Übereinstimmung mit der Ein- und Ausschaltwiederholfrequenz zu variieren.
Wenn im Schritt S130 ermittelt wird, dass der Antriebsmotor bei einem vorübergehenden Stopp des Fahrzeugs während der Fahrt des Fahrzeugs stoppt (Leerlaufstopp), wird im Schritt S170 die Ausführung so vorgenommen, dass die elektromagnetische Kupplung 120 eingeschaltet und der Elektromotor betrieben ist. Wenn im Schritt S180 ermittelt wird, dass die Fördermenge relativ zu der Wärmelast zu diesem Zeitpunkt im Überschuss vorliegt, wird der Fluss im Schritt S190 so durchgeführt, dass die Stromzufuhrmenge von der Batterie 20 zu dem Elektromotor 140 dahingehend gesteuert wird, die Fördermenge in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Elektromotors 140 zu variieren.
Einzelheiten der Arbeitsweise des Verdichters 130 durch die Steuereinheit 150 werden unter Bezug auf 4 und 5 erläutert.
4 zeigt eine Kennlinie der Drehzahl des Verdichters 130, die als Summe aus der Drehzahl der Riemenscheibe 110 und der Drehzahl des Elektromotors 140 ermittelt wird. Die Drehzahl Nc des Verdichters 130 ist eine Drehzahl der ersten beweglichen Spirale 131 relativ zu der zweiten beweglichen Spirale 132, weil die ersten und zweiten beweglichen Spiralen 131 und 132 unabhängig voneinander bewegt werden. Die Drehzahl Nc des Verdichters 130 ist deshalb gleich der Drehzahl Ns1 der ersten beweglichen Spirale 131 minus der Drehzahl Ns2 der zweiten beweglichen Spirale 132. Wenn die Drehrichtung der zweiten beweglichen Spirale 132 entgegengesetzt zu derjenigen der ersten beweglichen Spirale 131 ist, stellt die Drehzahl Ns2 der zweiten beweglichen Spirale 132 eine negative Zahl dar.
Die Formel Nx = Ns1 – (–Ns2) = Ns1 + Ns2 kann dadurch definiert bzw. festgelegt werden.
In 4 zeigt eine nach rechts unter 45 Grad ansteigende punktierte Linie die Drehzahl Ns1 der ersten beweglichen Spirale 131, die durch die Riemenscheibe 110 angetrieben wird. Die Drehzahl Nc des Verdichters 130 durch Addieren der Drehzahl Ns2 der zweiten beweglichen Spirale 132 wird erhalten, die durch den Elektromotor 140 angetrieben wird, zu der punktierten Linie.
Zu dem Abkühlzeitpunkt bzw. zur Abkühlzeit, wenn die Wärmelast maximal ist, dreht sich die erste bewegliche Spirale 131 (sie läuft um) in Übereinstimmung mit der Drehzahl der Riemenscheibe 110 beim Einschalten bzw. Einrücken der elektromagnetischen Kupplung 120. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen bzw. vorausgesetzt, dass die Drehzahl der ersten beweglichen Spirale 131 2500 UpM (in 4 durch einen Punkt A bezeichnet) beträgt. Wenn der Elektromotor 140 die zweite bewegliche Spirale 132 in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der Riemenscheibe 110 antreibt, und wenn die Drehzahl der zweiten beweglichen Spirale 132 mit 2000 UpM vorausgesetzt wird, wird die Drehzahl des Verdichters 130 auf einen Wert erhöht, der durch einen Punkt B (Nc = 2500 + 2000 = 45000 UpM) in 4 bezeichnet ist (siehe eine Markierung a in einer Säule der Verdichterdrehzahl von 5).
Bei normaler Fahrt des Fahrzeugs (beispielsweise unter der Voraussetzung, dass die Drehzahl der Riemenscheibe 110 2000 UpM beträgt) beträgt dann, wenn die elektromagnetische Kupplung 120 eingeschaltet bzw. eingerückt ist und die Betätigung des Elektromotors 140 stoppt, die Drehzahl der zweiten beweglichen Spirale 132 null und ausschließlich die erste bewegli che Spirale 131 dreht sich derart, dass der Verdichter 130 ähnlich wie bei dem herkömmlichen Verdichter betätigt wird. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Drehzahl Nc des Verdichters 130 2000 + 0 = 2000 UpM, wobei es sich hier um einen Wert handelt, der in 4 durch einen Punkt C gezeigt ist (siehe eine Markierung c in einer Säule der Verdichterdrehzahl von 5).
Wenn die erste bewegliche Spirale 131 sich dreht, verhindert die Einwegkupplung 160, dass die zweite bewegliche Spirale 132 sich zusammen mit der ersten beweglichen Spirale 131 dreht. Die Betätigungsfrequenz der ersten beweglichen Spirale 131, d. h., die Betätigungsfrequenz des Verdichters 130 wird durch Ändern der Frequenz des Ein- und Ausschaltvorgangs der elektromagnetischen Kupplung 120 eingestellt, so dass die Fördermenge des Verdichters 130 variabel ist (siehe eine Markierung c in der Säule der Verdichterdrehzahl von 5).
Zum Leerlaufstoppzeitpunkt, wenn die Riemenscheibe 110 beim Stopp des Antriebsmotors (Drehzahl der Riemenscheibe 110 ist null) stoppt, wird die elektromagnetische Kupplung 120 eingeschaltet bzw. eingerückt gehalten; die erste bewegliche Spirale 131 wird jedoch nicht gedreht. Die zweite bewegliche Spirale 132 wird durch den Elektromotor 140 (es wird angenommen, dass die Drehzahl des Elektromotors 1500 UpM beträgt) angetrieben, und der Verdichter 130 wird in derselben Weise angetrieben, wenn die erste bewegliche Spirale 131 sich relativ zu der zweiten beweglichen Spirale 132 dreht, so dass die Drehzahl des Verdichters 130 einen Wert aufweist, der in 4 durch einen Punkt D bezeichnet ist (siehe eine Markierung d in der Säule der Verdichterdrehzahl von 5). Die Drehzahl des Verdichters 130 kann durch Ändern der Kältemittelaustragmenge durch Ändern der Höhe des Stroms gesteuert werden, der dem Elektromotor 140 zugeführt wird (siehe Markierung e in der Säule der Verdichterdrehzahl von 5).
Die Vorteile des Hybridverdichters 100 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform sind nachfolgend erläutert.
Da die ersten und zweiten beweglichen Spiralen 131 und 132 unabhängig voneinander betätigbar sind und angetrieben werden, um sich in entgegengesetzten Richtungen durch die Riemenscheibe 110 und den Elektromotor 140 zu drehen, ist die Drehzahl Ns1 des Verdichters 130 zum Zeitpunkt des Antriebsmotorlaufs die Summe aus der Drehzahl Ns1 der ersten beweglichen Spirale 131 und der Drehzahl Ns2 der zweiten beweglichen Spirale 132. Der Verdichter 130 vermag dadurch das Kältemittel mit höherer Geschwindigkeit zu verdichten im Vergleich zu dem herkömmlichen Hybridverdichter, der ausschließlich durch die Riemenscheibe angetrieben ist, so dass das Austragausmaß bzw. die Austragmenge des Kältemittels stärker zunimmt, wodurch der Verdichter 130 noch kompakter und leichtgewichtiger wird.
Wenn der Antriebsmotor 10 stoppt, treibt der Elektromotor 140 die zweite bewegliche Spirale 132 an, während die Riemenscheibe 100 und die erste bewegliche Spirale 131 stoppen, so dass die erste bewegliche Spirale 131 sich relativ zu der zweiten beweglichen Spirale 132 dreht. Der Verdichter 130 vermag dadurch den Kühlvorgang des Kältekreislaufs 200 fortzusetzen.
Wenn die Riemenscheibe 110 die erste bewegliche Spirale 131 in einem Zustand in Drehung versetzt, in dem der Elektromotor 140 nicht betätigt ist, vermag der Verdichter 130 in derselben Weise zu arbeiten wie der herkömmliche Verdichter, weil die Einwegkupplung 160 verhindert, dass sich die zweite bewegliche Spirale 132 zusammen mit der ersten beweglichen Spirale 131 dreht.
Da der induzierte Strom in dem Elektromotor 140 nicht erzeugt wird, wird weniger Antriebskraft vom Antriebsmotor 10 verbraucht und die induzierte Stromsteuerung des Elektromotors 140 für die Lichtmaschine bzw. den Elektromotorgenerator 30 ist nicht erforderlich.
Die Fördermenge des Verdichters 130 ist durch Steuern der Betätigungsfrequenz des Verdichters 130 variabel, da die Antriebskraftübertragung der Riemenscheibe 110 zu der ersten beweglichen Spirale 131 durch die elektromagnetische Kupplung 120 unterbrochen werden kann, die zwischen der Riemenscheibe 110 und der ersten beweglichen Spirale 131 angeordnet ist.
Wie vorstehend angeführt, wird die Fördermenge des Verdichters 130 durch Steuern der Betätigung des Elektromotors 140 und der Ein-/Ausschaltbetätigung der elektromagnetischen Kupplung 120 geändert. Ein Verdichter mit konstanter Förderleistung, der keinen Mechanismus zur Änderung der Förderleitung aufweist, kann deshalb als Verdichter 130 verwendet werden, so dass der Verdichter 130 kostengünstig ist.
In dem Elektromotor 140 mit dem Stator 145 und dem Rotor 146 weist der Stator 145 außerdem die Wicklung 145a auf. Strom von der Batterie 20 wird der Wicklung 145a ohne eine Stromübertragungsschnittstelle, wie etwa einen Schleifring direkt zugeführt, so dass der Aufbau des Elektromotors 140 einfach und kostengünstig ist.
Anstelle des Spiralverdichters konstanter Förderleitung kann ein Flügelzellenverdichter, in dem das erste Verdichtungselement ein Rotor mit Flügeln 139a (an einer Welle 134a fest angebracht, die durch ein Lager 137 gehalten ist) und das zweite Verdichtungselement ein Drehzylinder 138 ist, wie in 6 und 7 gezeigt, als Verdichter 130 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform angewendet sein.
Ein Hybridverdichter in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform ist nachfolgend unter Bezug auf 8 und 9 erläutert.
In Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform ist die elektromagnetische Kupplung 120 zwischen der Riemenscheibe 110 und der ersten beweglichen Spirale 131 nicht vorgesehen und die Riemenscheibe 110 ist direkt mit der Nabe 120 verbunden. Außerdem ist die Einwegkupplung 160 nicht auf einer Axialendseite bzw. Stirnseite der sich drehenden Motorwelle 142 vorgesehen.
Induzierter Strom wird in dem Elektromotor 140 demnach erzeugt, da die zweite bewegliche Spirale 132 zusammen mit der ersten beweglichen Spirale 131 in Drehung versetzt wird, die durch die Riemenscheibe 110 angetrieben wird. Die Steuereinrichtung 150 steuert die Drehzahl der zweiten beweglichen Spirale 132, die zusammen mit der ersten beweglichen Spirale 131 drehbar ist.
Die zweite bewegliche Spirale 132 dreht sich in derselben Richtung wie die erste bewegliche Spirale 131, so dass die Drehzahl Nc des Verdichters, bei der es sich um die Drehzahl Ns1 (mit 2500 UpM angenommen) der ersten beweglichen Spirale 131 relativ zu der Drehzahl Ns2 (mit 200 UpM angenommen) der zweiten beweglichen Spirale 132 handelt, gleich einem Wert ist, der in 9 durch einen Punkt F gezeigt ist und gewonnen wird durch Ableiten der Drehzahl Ns2 aus der Drehzahl Ns1.
Wenn dem Elektromotor 140 von der Batterie 20 zwangsweise Strom zugeführt wird, um den induzierten Strom einzustellen, der in dem Elektromotor 140 während einer Periode erzeugt wird, wenn die zweite bewegliche Spirale 132 zusammen mit der ersten beweglichen Spirale 131 gedreht wird, erzeugt der Strom einen Widerstand, der der Drehung der zweiten beweglichen Spirale 132 zusammen mit der ersten beweglichen Spirale 131 entgegenwirkt, so dass die Drehzahl Ns2 der zweiten beweglichen Spirale 132 kleiner wird und die Drehzahl Ns 21 einnimmt, was zu einer Verringerung der Drehzahl Nc des Verdichters führt. D. h., die Fördermenge des Verdichters 130 kann so variabel gesteuert werden ohne die elektromagnetische Kupplung 120 vorzusehen, und zwar durch Einstellen des induzierten Stroms, der in dem Elektromotor 140 erzeugt wird.
Der Hybridverdichter bzw. die Hybridverdichtervorrichtung in Übereinstimmung mit den ersten und zweiten Ausführungsformen ist nicht nur auf ein Fahrzeug mit Leerlauf-Stopp-Mechanismus anwendbar, sondern auch auf ein Hybridfahrzeug.

Claims

Hybridverdichter mit einem elektromotorischen Antrieb (140) und einem externen Antrieb (10), aufweisend: erste und zweite Verdichtungselemente (131 und 132), die unabhängig voneinander bewegbar sind, und in denen Fluid durch Variieren der Volumenkapazität eines Verdichtungsraums verdichtet wird, der zwischen dem ersten Verdichtungselement (131) und dem zweiten Verdichtungselement (132) vorgesehen ist, bei einer Drehung oder Bewegung des ersten Verdichtungselements (131) relativ zu dem zweiten Verdichtungselement (132); einen Elektromotor (140), der bei Empfang von Strom von einer externen Stromquelle (20) in Drehung versetzbar ist; und eine angetriebene Riemenscheibe (110), die angetrieben ist durch eine Antriebskraft, die von dem externen Antrieb (10) übertragen wird; wobei das erste Verdichtungselement (131) mit der angetriebenen Riemenscheibe (110) verbunden ist, und wobei das zweite Verdichtungselement (132) mit dem Elektromotor (140) verbunden ist.
Hybridverdichter nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (140) einen Stator (145), einen Rotor (146), eine Motorwelle (142) zum Verbinden des Rotors mit dem zweiten Verdichtungselement (132), und eine Einwegkupplung (160) aufweist, die auf der Motorwelle vorgesehen ist, damit die Motorwelle sich ausschließlich in einer Drehrichtung entgegengesetzt zu derjenigen der angetriebenen Riemenscheibe (110) drehen kann.
Hybridverdichter nach Anspruch 1, außerdem aufweisend: eine elektromagnetische Kupplung (120), die zwischen dem ersten Verdichtungselement (131) und der angetriebenen Riemenscheibe (110) vorgesehen ist, um eine Kraftübertragung zwischen dem ersten Verdichtungselement (131) und der angetriebenen Riemenscheibe zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
Hybridverdichter nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (130) ein Verdichter konstanter Förderleistung ist, in dem die Austragkapazität pro Umdrehung des ersten Verdichtungselements (131) relativ zu zum zweiten Verdichtungselement (132) konstant ist.
Hybridverdichter nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (140) einen Rotor (146) und einen Stator (145) aufweist, auf den eine Wicklung (145a) gewickelt ist.
Hybridverdichter nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Verdichtungselemente erste und zweite Spiralen (131 und 132) sind, die kämmend miteinander in Eingriff sind, wobei die erste Spirale (131) eine Führungsnut (131a) aufweist, und wobei die Riemenscheibe (110) mit einer Exzenterwelle (134) zum Antrieb mit der ersten Spirale (131) verbindbar ist, außerdem einen Drehverhinderungsmechanismus (136) aufweisend einen Hauptkörper (136a), der an der zweiten Spirale (132) fest angebracht ist, und einen vorstehenden Stift bzw. Zapfen (136b), der in die Führungsnut (131a) eingreift, wobei der Drehverhinderungsmechanismus (136) die erste Spirale (131) ver anlasst, um die exzentrische Welle (134) ohne Eigendrehung gegenüber der zweiten Spirale (132) in Übereinstimmung mit der Drehung der exzentrischen Welle umzulaufen.
Hybridverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, außerdem umfassend eine Steuereinrichtung (150) zum Steuern der Betätigung des Elektromotors (140), wobei der Elektromotor (140) durch die Steuereinrichtung (150) so angesteuert wird, dass das zweite Verdichtungselement (132) in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des ersten Verdichtungselements (131) in Drehung versetzt wird.
Hybridverdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, wobei die angetriebene Riemenscheibe (110) das erste Verdichtungselement (131) antreibt und dadurch das zweite Verdichtungselement (132) zusammen mit dem ersten Verdichtungselement (131) in derselben Drehrichtung angetrieben wird wie diejenige des ersten Verdichtungselements (131), so dass in dem Elektromotor (140) durch Induktion Strom erzeugt wird, und wobei außerdem die Steuereinrichtung (150) den induzierten Strom steuert, der in dem Elektromotor (140) erzeugt wird, so dass die Drehzahldifferenz des zweiten Verdichtungselements (132) gegenüber dem ersten Verdichtungselement (131) variabel ist.
Hybridverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7 und 8, in dem das erste Verdichtungselement ein Rotor mit Flügeln (139a), der an einer Welle (134a) fest angebracht ist, und das zweite Verdichtungselement ein Drehzylinder (138) ist.