DE10322352A1

DE10322352A1 - Elektrisch angetriebener Kompressor für eine Fahrzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE10322352A1
Application number: DE10322352A
Authority: DE
Inventors: Henry Hartung; Heiko Dröse; Klaus Gebauer; Thomas Reske; Harry Nissen; Thomas Küppers; Dikran-Can Magzalci; Christoph Loy
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-05-17
Publication date: 2004-01-22
Also published as: FR2841607B1; FR2841607A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebenen Kompressor für eine Fahrzeug-Klimaanlage, mit einem Kompressorgehäuse, in dem eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe angeordnet ist, die wenigstens einen in einem Kompressionszylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen und Verdichten des CO¶2¶-Kältemittels antreibt, und mit einem Ansaug- und einem Auslassventil im Kompressionsraum des Kompressionszylinders. Sie löst die Aufgabe, einen derartigen Kompressor zu vereinfachen. Dazu ist der Hubkolben (8) hohlzylindrisch ausgebildet, das Ansaugventil (9) ist am Hubkolben (8) auf der der Taumelscheibe (5) abgewandten Stirnseite desselben angeordnet, und das zu verdichtende CO¶2¶-Kältemittel gelangt durch den Hubkolben (8) in den Kompressionsraum (11).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebenen Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage zum Ansaugen und Verdichten von in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden CO₂-Kältemittel.

Die in Kfz-Klimaanlagen zum Ansaugen und Verdichten von CO₂-Kältemittel eingesetzten Kompressoren weisen üblicherweise eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe auf, die wenigstens einen in einem Zylinder verschiebbar gehaltenen Kolben zum Ansaugen und Verdichten von CO₂-Kältemittel beaufschlagt. Die Antriebswelle kann dabei mit einem am oder im Kompressorgehäuse angeordneten drehzahlgeregelten Elektromotor verbunden sein. Diese Antriebsweise hat gegenüber einer an den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs über eine Riemenscheibe gekoppelten Antriebswelle den Vorteil, dass die Leistungsregelung des Kompressors über eine Drehzahlregelung des Elektromotors erfolgt. Eine Verstellung der Taumelscheibe zur Einstellung einer bestimmten Leistung des Kompressors ist somit nicht notwendig, so dass die Taumelscheibe mit einem nicht veränderbaren Neigungswinkel fest mit der Antriebswelle verbunden ist.

Bei dem elektrisch angetriebenen Kompressor mit im Kompressorgehäuse angeordnetem Elektromotor wird das CO₂-Kältemittel durch die elektromotorseitige Stirnwandung eingelassen und durchdringt anschließend das Kompressorgehäuse über Durchgangsbohrungen bis zu einem an der gegenüberliegenden Stirnwandung desselben angeordneten Gehäusedeckel mit einem Saugraum und einem Hochdruckraum, aus dem es hochverdichtet zurück in den Kreislauf gedrückt wird. Durchgangsbohrungen befinden sich dabei auch in dem Zylinderblock, in dem der wenigstens eine von der Taumelscheibe angetriebene und das CO₂-Kältemittel verdichtende Hubkolben angeordnet ist. Diese Durchgangsbohrungen sind mit dem Saugraum verbunden, aus dem der Hubkolben das CO₂-Kältemittel in den Kompressionszylinder, in dem der Hubkolben angeordnet ist, über ein Ansaugventil ansaugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Struktur eines elektrisch angetriebenen Kompressors für eine Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird bei einem Kompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung besteht darin, dass bei einem elektrisch angetriebenen Kompressor mit einer in einem Kompressorgehäuse angeordneten Taumelscheibe, die an einer durch einen Elektromotor angetriebenen Antriebswelle angeordnet ist und wenigstens einen in einem Kompressionszylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen und Verdichten des CO₂-Kältemittels antreibt, wobei im Kompressionsraum des Kompressionszylinders ein Ansaug- und ein Auslassventil angeordnet sind, der Hubkolben hohlzylindrisch ausgebildet und das Ansaugventil an dessen kompressionsraumseitiger Stirnwand angeordnet ist. Dabei wird das zu verdichtende CO₂-Kältemittel aus dem Kurbelgehäuseraum des Kompressorgehäuses, in dem die Taumelscheibe angeordnet ist, durch den Hohlzylinder angesaugt und gelangt durch das Ansaugventil in den Kompressionsraum.

Diese Konstruktion ist mit einer Bauteilvereinfachung verbunden, da sich die Ausbildung eines Ansaugraumes für das CO₂-Kältemittel im Zylinderkopf oder in einem das Kompressorgehäuse verschließenden Deckel sowie die Ausbildung von Durchgangsbohrungen im Zylinderkopf vom Kurbelgehäuse zum Ansaugraum für das Ansaugen des CO₂-Kältemittels erübrigt. Der Ansaugweg für dieses wird verkürzt, wodurch geringere Strömungsverluste auftreten. Überdies wird die thermische Trennung von Hoch- und Saugdruck verbessert.

Die hohlzylindrische Kolbenausführung ist auch erheblich leichter als eine Kolbenausführung aus Vollmaterial, was mit einer Verringerung der bewegten Masse und mit einer Verbesserung des Wirkungsgrades verbunden ist. Zudem kann der Kolben zur weiteren Reduzierung seiner Masse zumindest teilweise aus einem Leichtmetall, insbesondere hoher Festigkeit, gefertigt sein. In bekannter Weise weist der Kolben taumelscheibenseitig ein Aufnahmelager für einen an der Taumelscheibe ausgebildeten Gelenkkopf auf. Dieses kann beispielsweise aus Stahl und der Hohlzylinderteil des Hubkolbens aus einem Leichtmetall bestehen.

Zwischen dem Hubkolben und der Zylinderwand können Kolbenringe angeordnet sein, die zu einer Reibungs- und Verschleißminderung führen. Dabei ist es vorteilhaft ist, die oder den wenigstens einen Kolbenring in der Zylinderwand anzuordnen. Dadurch kann der Hubkolben dünnwandig ausgeführt sein, so dass die Masse des bewegten Hubkolbens weiter reduziert wird, insbesondere dadurch, dass dessen Wandstärke klein gehalten werden kann, weil sich die Anordnung einer Kolbenringnut in dieser erübrigt. Der Kolbenring kann vorteilhaft auch aus einem Leichtmetall mit hoher Verschleißfestigkeit gefertigt sein.

Die vorbeschriebenen, am Hubkolben getroffenen Maßnahmen führen insgesamt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Kompressors.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: einen Kompressor mit elektrischem Antrieb in einem Vertikalschnitt,
2: die mit einem Ansaugventil versehene Stirnseite eines Hubkolbens,
3a: einen Schnitt durch einen Hubkolben mit geöffnetem Ansaugventil,
3b: einen Schnitt durch diesen mit geschlossenem Ansaugventil und
4: einen Schnitt durch einen Kompressionszylinder.
Der in 1 weitgehend schematisch dargestellte elektrisch betriebene Kompressor weist im wesentlichen ein Kompressorgehäuse 1, einen über die Ansteuerfrequenz regelbaren Elektromotor 2, eine mit diesem verbundene Antriebswelle 3, einen Kurbelgehäuseraum 4 für eine an der Antriebswelle 3 drehfest angeordnete Taumelscheibe 5 vorbestimmter Neigung, einen Zylinderblock 6 mit mehreren Kompressionszylindern 7 und in diesen angeordneten und mit der Taumelscheibe 5 wirkverbundenen hohlzylindrischen Hubkolben 8 mit jeweils einem Ansaugventil 9, eine Ventilplatte 10 mit Auslassventilen 12, die den jeweiligen in den Kompressionszylindern 7 ausgebildeten Kompressionsräumen 11 zugeordnet sind, und einen Zylinderkopf 13 mit einem Hochdruckraum 14 und einen in diesem angeordneten Ölabscheider 15 auf. Die Wirkverbindung eines Hubkolbens 8 mit der Taumelscheibe 5 ist durch einen an dieser ausgebildeten Gelenkkopf und ein am Hubkolben 8 ausgebildetes Aufnahmelager L für diesen hergestellt.
Die Ansaugung des CO₂-Kältemittels erfolgt über den Ansaugstutzen 16, der an einem motorseitig angeordneten Abschlussdeckel 17 koaxial zur Antriebswelle 3 ausgebildet ist. Vom Ansaugstutzen 16 erstreckt sich eine Ansaugbohrung 18 in die Motorkammer hinein. Das über den Ansaugstutzen 16 und die Ansaugbohrung 18 angesaugte CO₂-Kältemittel strömt durch die Motorkammer und verlässt diese über Durchlassbohrungen 19, die in einer den Motorraum vom Kurbelgehäuseraum 4 trennenden Zwischenwand 20 eingebracht sind, und gelangt in den Kurbelgehäuseraum 4.
Die Ansaugventile 9 befinden sich jeweils auf der der Taumelscheibe 5 abgewandten Stirnseite der taumelscheibenseitig mit einer (nicht dargestellten) Öffnung versehenen Hubkolben 8 und münden in den jeweiligen Kompressionsraum 11. Die Hubkolben 8 sind gegenüber der Wandung des jeweiligen Kompressionszylinders 7 durch drei hintereinander angeordnete Kolbenringe 21 abgedichtet, die jeweils in einer in der Wandung angeordneten Kolbenringnut sitzen. Die Kolbenringe bestehen aus einem hochwertigen Grauguss. Alternativ dazu können diese auch aus einem Kunststoff, insbesondere PTFE oder Peek, gefertigt sein.
Die 2 und 3 zeigen einen Hubkolben 8 mit seiner kompressionsraumseitigen Stirnseite mit dem an dieser angeordneten Ansaugventil 9. Dieses ist aus einer den Hohlraum des Hubkolbens 8 verschließenden Platte 22 mit einer Öffnung 22.1 und einer an dieser ausgebildeten, der Öffnung zugeordneten und diese in der Schließstellung überdeckenden Ventillamelle 23 gebildet, deren Öffnungsstellungen im Kompressionsraum 11 liegen (1, oberer Hubkolben, und 3a) und die in ihrer Schließstellung an der Platte 22 anliegt (1, unterer Hubkolben, und 3b).
In 4 ist die Anordnung der Kolbenringe 21 verdeutlicht. Diese sind in der Wandung des jeweiligen Kompressionszylinders 7 angeordnet, der dazu mit diesen korrespondierenden Kolbenringnuten versehen ist. Bei seiner Bewegung gleitet der Hubkolben 8 abgedichtet in den zylinderfesten Kolbenringen 21. In der Darstellung ist der Hubkolben 8 mit geschlossenem Ansaugventil 9 gezeigt, wohingegen das Auslassventil 12 geöffnet ist, was bedeutet, dass sich der Hubkolben 8 im Kompressionshub befindet.
In der Darstellung in 1 befindet sich der obere Hubkolben 8, angetrieben durch die rotierende Taumelscheibe 5, im Ansaugmodus, in dem der Hubkolben 8 von der Ventilplatte 10 wegbewegt wird, und der untere Hubkolben 8 im Kompressionsmodus, in dem dieser auf die Ventilplatte 10 zu bewegt wird. Im Ansaugmodus entsteht im Kompressionsraum 11 sowohl gegenüber dem Hochdruckraum 14 als auch gegenüber dem Kurbelgehäuseraum 4 ein Unterdruck, der am Hubkolben 8 ein Abheben der Ventillamelle 23 von der Platte 22 und an der Ventilplatte 10 ein Schließen des Auslassventils 12 bewirkt. CO₂-Kältemittel strömt aus dem Kurbelgehäuseraum 4 durch den hohlen Hubkolben 8 und das geöffnete Ansaugventil 9 in den Kompressionsraum 11 ein. Nach Überschreiten seines taumelscheibenseitigen Totpunktes bewegt sich der Hubkolben 8 auf die Ventilplatte 10 zu. Dabei wird das in den Kompressionsraum 11 eingeströmte CO₂-Kältemittel verdichtet, so dass im Kompressionsraum 11 ein höherer Druck entsteht als im Kurbelgehäuseraum 4, wodurch das Ansaugventil 9 geschlossen wird. Bei Erreichen eines vorbestimmten Kompressiondruckes, der höher als der im Hochdruckraum 14 herrschende Kältemitteldruck ist, öffnet das Auslassventil 12, und das verdichtete CO₂-Kältemittel wird in den Hochdruckraum 14, in diesem durch den Ölabscheider 15 und schließlich aus dem Kompressor in eine angeschlossene Hochdruckleitung gedrückt.

1: Kompressorgehäuse
2: Elektromotor
3: Antriebswelle
4: Kurbelgehäuseraum
5: Taumelscheibe
6: Zylinderblock
7: Kompressionszylinder
8: Hubkolben
9: Ansaugventil
10: Ventilplatte
11: Kompressionsraum
12: Auslassventil
13: Zylinderkopf
14: Hochdruckraum
15: Ölabscheider
16: Ansaugstutzen
17: Abschlussdeckel
18: Ansaugbohrung
19: Durchlassbohrung
20: Zwischenwand
21: Kolbenring
22: Platte
22.1: Öffnung
23: Ventillamelle
L: Aufnahmelager

Claims

Elektrisch angetriebener Kompressor für eine Fahrzeug-Klimaanlage, mit einem Kompressorgehäuse, in dem eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe angeordnet ist, die wenigstens einen in einem Kompressionszylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen und Verdichten des CO₂-Kältemittels antreibt, und mit einem Ansaug- und einem Auslassventil im Kompressionsraum des Kompressionszylinders, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (8) hohlzylindrisch ausgebildet ist, dass das Ansaugventil (9) am Hubkolben (8) auf der der Taumelscheibe (5) abgewandten Stirnseite desselben angeordnet ist, und dass das zu verdichtende CO₂-Kältemittel durch den Hubkolben (8) in den Kompressionsraum (11) gelangt.
Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (8) gegenüber der Zylinderwand durch wenigstens einen Kolbenring (21) abgedichtet ist, und dass dieser in einer in der Zylinderwand angeordneten Nut angeordnet ist.
Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (8) aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt ist, oder dass dessen Aufnahmelager (L) für einen an der Taumelscheibe (5) angeordneten Gelenkkopf aus Stahl und der Hohlzylinderteil des Hubkolbens (8) aus einem Leichtmetall besteht.
Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (21) aus einem hochwertigen Grauguss oder einem Kunststoff, insbesondere PTFE oder Peek gefertigt ist.