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Die Erfindung betrifft einen Taumelscheibenkompressor für eine CO2-Klimaanlage, insbesondere für eine Fahrzeugklimaanlage.
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Ein Taumelscheibenkompressor für eine mit dem umweltfreundlichen CO2-Kältemittel (Kältemittel R744) betriebene Klimaanlage in einem Fahrzeug weist ein Kompressorgehäuse auf, in dem eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe angeordnet ist. Die Antriebswelle kann mit einem ebenfalls im Kompressorgehäuse angeordneten Elektromotor oder über eine an der Außenseite des Kompressorgehäuses angeordnete Riemenscheibe und einen Antriebsriemen mit dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs gekoppelt sein, und die Taumelscheibe treibt wenigstens einen in einem Kompressionzylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen und Verdichten des CO2-Kältemittels an. Im Kompressionsraum sind ein Ansaugventil und ein Austosventil angeordnet. Da CO2-Kältemittel im Vergleich zu anderen Kältemitteln, beispielsweise R 134a, wesentlich stärker, etwa um den Faktor 10, komprimiert werden muss, um vergleichbare Kühlleistungen erzielen zu können, ist der Abdichtung des Hubkolbens gegenüber der Innenfläche der Zylinderbohrung des Kompressionszylinders besondere Aufmerksamkeit zu schenken, damit der Kompressionsraum gegenüber dem Kurbelgehäuse abgedichtet ist, in dem sich die Taumelscheibe befindet und in dem der Gasdruck gegenüber dem Kompressionsdruck erheblich kleiner ist.
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Von Taumelscheibenkompressoren, die für herkömmliche, weniger umweltfreundliche Kältemittel als CO
2 ausgelegt sind, ist es bekannt, den Hubkolben mit wenigstens einer koaxialen Ringnut zu versehen und einen Kolbenring in dieser anzuordnen, der den durch die Mantelfläche des Hubkolbens und die Innenfläche der Zylinderbohrung des Kompressionszylinders gebildeten Ringspalt kompressionsraumseitig schließt und diesen in radialer und axialer Richtung abdichtet und der dem Kompressionsdruck standhält, wie es beispielsweise in der
EP 0 672 829 A1 oder der
EP 0 844 389 B1 beschrieben ist. Der Vorteil der Anordnung eines Kolbenringes liegt darin, dass nur dieser an der Mantelfläche des Hubkolbens vorstehende Kolbenring an der Innenfläche der Zylinderbohrung anliegt, wohingegen die Mantelfläche des Hubkolbens einen Ringspalt mit der Innenfläche bildet, der in radialer Richtung eine Dicke von ungefähr 15 µm bis ungefähr 80 µm haben kann. Somit gleitet der Hubkolben in der Zylinderbohrung, ohne dass die Mantelfläche in direktem Kontakt mit der Zylinderbohrung steht. Da die Breite des Kolbenringes gegenüber der Länge des Hubkolbens in axialer Richtung klein ist, ist die Reibung erheblich verringert. Allerdings ist der technologische Aufwand größer, da die Ringnut geschliffen werden muss. Zur Vergrößerung der Dichtfläche zwischen dem Hubkolben und der Zylinderbohrung können auch mehrere Kolbenringe angeordnet werden, wodurch jedoch der technologische Aufwand steigt. Der Hubkolben kann aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein, und der Kompressionszylinder ebenfalls aus einer solchen oder aus einer Stahllegierung.
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Gegenstand der
DE 197 54 028 A1 ist ein Kompressor der vorbeschriebenen Art, bei dem der Reibungswiderstand zwischen Hubkolben und Zylinderbohrung bzw. Kolbenring und Zylinderbohrung dadurch verringert ist, dass eine reibungsarme Schicht, z.B. eine Legierungsplattierung, oder eine Dispersionsbeschichtung mit einer Metallmatrix auf der Innenfläche der Zylinderbohrung angeordnet ist, oder, bei Verzicht auf einen Kolbenring, auch auf der Mantelfläche des Hubkolbens.
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Aus der
DE 103 07 555 A1 ist es bekannt, dass auf einen Kolbenring verzichtet werden kann, sofern eine Hülse aus demselben Material hergestellt wird wie ein Kolbenring. Dies ermöglicht es einem Hubkolben in der Hülse ohne Beschädigung des Kompressors allmählich hin- und herzugehen.
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Es ist aus der
DE 602 23 522 T2 bekannt, geeignete Materialpaarungen bspw. Aluminium zwischen Zylinderkolben und Zylinderbohrung vorzusehen, sodass der Zwischenraum entlang des gesamten Längenverlaufes des zylindrischen Abschnitts unter allen Wärmebetriebsbedingungen konstant ist, womit ein geringer Gasaustritt in ein Kompressorgehäuse möglich ist. In ähnlicher Weise ist aus der
DE 198 33 604 A1 bekannt, dass alle Kompressorteile in etwa die gleiche Wärmeausdehnung aufweisen können.
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Des Weiteren ist es aus der Darstellung des Standes der Technik in der
EP 0 844 389 B1 bekannt, zur Verringerung der Reibung zwischen der Mantelfläche des Hubkolbens und der Innenfläche der Zylinderbohrung die Mantelfläche mit einer Plattierungsschicht zu versehen, die ein selbstschmierendes Material enthält, wie Polytetrafluorethylen. Zwischen den beiden Flächen ist ein Ringspalt in der Dicke von ungefähr 15 µm bis ungefähr 30 µm ausgebildet, in den ein Schmieröl zum Abdichten gegenüber dem (herkömmlichen) gasförmigen Kältemittel und wirksamen Komprimieren desselben eingebracht ist. Dieser Schmierölfilm wirkt dabei als Spaltdichtung. Der Ausbildung einer solchen Spaltdichtung sind durch den Kompressionsdruck Grenzen gesetzt. Bei einem Klimakompressor für CO
2-Kältemittel mit einem Kompressionsdruck von über 110 bar gegenüber einem Saugdruck von etwa 40 bar kann eine derartige Dichtung nicht standhalten, und es würde zu Leckagen kommen.
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Nach der
EP 0 789 145 B1 kann die Mantelfläche des Hubkolbens auch mit einer koaxialen Ringnut zum Sammeln von Schmieröl versehen sein, das zwischen der Mantelfläche und der Innenfläche der Zylinderbohrung vorhanden ist. Dabei ist diese Ringnut mit wenigstens einer in axialer Richtung des Hubkolbens ausgebildeten weiteren Nut kombiniert, durch die Schmieröl in die Kurbelkammer hineingesaugt werden kann.
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Ferner ist aus der
EP 0 733 801 B1 ein Kompressor für Kühlschränke oder Gefriergeräte bekannt, bei dem die Mantelfläche des Hubkolbens mit wenigstens einer ringförmigen Ausnehmung (koaxiale Ringnut) zur Aufnahme von Kältemittel versehen ist, das aus der Kompressionskammer während des Kompressionshubes zwischen die Kolbenmantelfläche und die Innenfläche de Zylinderbohrung gedrückt wird. Zusätzlich ist in der Innenfläche der Zylinderbohrung zumindest eine Ausnehmung zum Sammeln mindestens eines Teils des Kältemittels angeordnet, das in die Ringnut eintritt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Taumelscheibenkompressor für eine CO2-Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass ein durch die Taumelscheibe angetriebener und in einem Kompressionszylinder angeordneter Hubkolben auf einfache Weise eine Dichtung mit der Innenfläche der Zylinderbohrung ausbildet, die den Kompressionsraum gegenüber der Kurbelkammer abdichtet.
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Diese Aufgabe wird bei einem Taumelscheibenkompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die Erfindung besteht darin, dass bei einem Taumelscheibenkompressor für eine CO2-Klimaanlage, der in einem Kompressorgehäuse eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe aufweist, die wenigstens einen in einem Kompressionszylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen und Verdichten des CO2-Kältemittels antreibt, zwischen dem Hubkolben und dem Kompressionszylinder ein Spalt mit einer Breite von im wesentlichen 5 bis 20 µm in radialer Richtung in der Art einer Spielpassung ausgebildet ist, in dem das zu verdichtende CO2-Kältemittel zugleich als Dichtungsmedium wirkt, wobei die Werkstoffe, aus denen der Kompressionszylinder und der Hubkolben gefertigt sind, den gleichen oder im wesentlichen gleichen Dehnungskoeffizienten aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass trotz der Erwärmung im Kompressor auf bis zu 200° C während dessen Betriebes und trotz des hohen Kompressionsdruckes von über 110 bar im wesentlichen keine bzw. nur sehr geringe Leckagen zu verzeichnen sind und die mit dem CO2-Kältemittel gebildete Spaltdichtung standhält. Dazu trägt ein im CO2-Kältemittel vorhandener Ölanteil bei, der mit bewirkt, das das CO2-Kältemittel in dem in axialer Richtung langausgedehnten Spalt dem an der kompressionsraumseitigen Stirnfläche des Hubkolbens anliegenden hohen Druck standhält und als Dichtung wirkt, und auch der Umstand, dass sich der Spalt bei der Temperaturerhöhung infolge der verwendeten Materialien nicht oder nur unwesentlich vergrößert. Für die Schmierung der beweglichen Teile im Kompressor wird Öl verwendet. Beim Betrieb des Kompressors ist es unvermeidlich, dass davon ein Teil in das CO2-Kältemittel gelangt. Dieser Umstand wird hier genutzt.
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Bei der vorbeschriebenen Lösung werden Kolbenringe nicht mehr benötigt. Das bedeutet, das ein exaktes Einschleifen von wenigstens einer koaxialen Ringnut in den Hubkolben bei dessen Herstellung entfällt. Damit ist die Lösung technologisch einfacher und erheblich kostengünstiger. Überdies ist die Montage des Taumelscheibenkompressors, in dem üblicherweise mehrere Hubkolben angeordnet sind, weniger aufwendig. Die Lösung trägt auch zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Kompressors bei, da verschleißende Kolbenringe nicht vorhanden sind.
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Vorzugsweise beträgt die Spaltdicke 5 bis 15 µm, da ein weiterer bzw. dickerer Spalt, insbesondere bei höheren, dem Kompressor abverlangten Leistungen, die Gefahr einer Leckage mit sich bringt. Damit die Spaltdicke auch bei höheren Temperaturen annähernd gleich bleibt, sind die Werkstoffpaarungen Zylinder – Hubkolben aus Werkstoffen mit einer annähernd gleichen Wärmeausdehnungszahl gebildet, die temperaturabhängig ist, vorzugsweise jedoch aus jeweils der gleichen Aluminiumlegierung oder jeweils aus Stahl, oder bei miteinander korrespondierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auch aus einer Aluminiumlegierung-Stahl-Paarung. Bei einer Temperaturerhöhung weiten sich somit die Zylinderbohrung und der Hubkolbenumfang im wesentlichen im gleichen Maße. Die Verwendung von Aluminium führt zu einer Gewichtsverminderung generell und dadurch auch zu einer Reduzierung der zu beschleunigenden Masse des Hubkolbens, was sich leistungssteigernd und in einer verbesserten Regelbarkeit auswirkt.
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Der Hubkolben kann des Weiteren eine koaxiale Ringnut aufweisen, die sich mit CO2-Kältemittel füllt und insbesondere bei einem dickeren Spalt als Pufferspeicher dienen kann. Auch kann der Hubkolben vorteilhaft als Hohlkolben ausgebildet sein, um dessen Gewicht weiter zu senken.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen elektrisch angetriebenen Taumelscheibenkompressor mit sieben durch die Taumelscheibe angetriebenen Hubkolben in einem Schnitt, in dem zwei in jeweils einer Zylinderbohrung angeordnete Hubkolben zu sehen sind.
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Dieser Taumelscheibenkompressor weist ein aus Stahl tiefgezogenes Gehäuse 1 auf, in dem in einer Kurbelkammer 2 eine Taumelscheibe 3 auf einer Antriebswelle 4 drehfest angeordnet ist, die mit mehreren in jeweils einem Kompressionszylinder 5 hin- und herbeweglich angeordneten hohlen Hubkolben 6 aus einer Aluminiumlegierung zum Ansaugen und Verdichten von CO2-Kältemittel über jeweils einen am jeweiligen Kompressionszylinder 5 ausgebildeten Lagerkäfig 7 gekoppelt ist und die Hubkolben 6 antreibt. In einem Antriebsraum 8 ist ein drehzahlgeregelter Elektromotor 9 derart angeordnet, dass dessen Rotor 10 in bekannter Weise drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden und der Stator 11 über eine Schrumpfverbindung am Gehäuse 1 festgelegt ist. Zwischen der Kurbelkammer 2 und dem Antriebsraum 8 ist eine Zwischenwand 12 eingebracht, wobei diese mit Durchlassbohrungen 13 und der Rotor 10 mit Durchlassbohrungen 14 für einen CO2-Kältemitteldurchtritt versehen sind, so dass die Kurbelkammer 2 und der Antriebsraum 8 einen gemeinsamen Gasraum ausbilden.
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Das Gehäuse 1 ist antriebsraumseitig durch einen mit einer Eintrittsöffnung 15 für das Kältemittel versehenen Abschlussdeckel 16 und auf der diesem gegenüberliegenden Stirnseite durch einen mit einer Ausstoßöffnung 17 für das Kältemittel versehenen Ventildeckel 18, der eine Ventilplatte 19 mit Auslassventilen 20 abdeckt, verschlossen, wobei beide Deckel (16, 18) mit dem Gehäuse verschweißt sind. Die (Hochdruck-)Auslassventile 20 korrespondieren dabei mit den in einem Zylinderblock 21 ausgebildeten Kompressionszylindern 5, der aus der gleichen Aluminiumlegierung wie die Hubkolben 6 gefertigt sind.
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Der jeweilige Hubkolben 6 ist auf seiner der Taumelscheibe 4 abgewandten Stirnseite mit einem Ansaugventil 22 versehen und taumelscheibenseitig mit einer (nicht dargestellten) Öffnung. Das Ansaugventil 22 ist aus einer den Hohlraum des Hubkolbens 6 verschließenden Platte mit einer Öffnung und einer diese in der Schließstellung überdeckenden Ventillamelle gebildet, deren Öffnungsstellungen im Kompressionsraum 23 liegen und die in ihrer Schließstellung an der Platte anliegt.
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Zwischen dem jeweiligen Kompressionszylinder 5 mit einem Nenndurchmesser von 10 mm und dem in diesem angeordneten Hubkolben 6 mit einem Nenndurchmesser von ebenfalls 10 mm, jedoch mit einem Abmaß von 10 µm, ist ein Ringspalt RS von im wesentlichen 10 µm ausgebildet, in dem das CO2-Kältemittel als Dichtungsmittel eine Dichtung ausbildet (Einzelheit X). An der Mantelfläche des Hubkolbens 6 ist eine koaxiale Ringnut 24 ausgebildet.
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Bei diesem Taumelscheibenkompressor wird das CO2-Kältemittel mit einem vorbestimmten Ansaugdruck, beispielsweise 40 bar, über die Eintrittsöffnung 15, die Durchlassbohrungen 14 und die Durchlassbohrungen 13 durch die Kolbenbewegung in die Kurbelkammer 2 gesaugt. Von dort gelangt es bei einem Kolbenhub des jeweiligen hohlen Hubkolbens 6 in Richtung auf den Antriebsraum 8 zu durch diesen Hubkolben 6 und das Ansaugventil 22 in den durch diesen (6) und den Kompressionszylinder 5 gebildeten Saugraum 25, der zugleich auch der Kompressionsraum 23 ist. Bei einer Hubkolbenbewegung auf die Ventilplatte 19 zu wird das Kältemittel verdichtet und bei einem vorbestimmten Druck über das (Hochdruck-)Auslassventil 20 mit einem um etwa ein Vierfaches höherem Druck als der Ansaugdruck ausgestoßen. Bei diesem Vorgang befindet sich gasförmiges CO2-Kältemittel mit einem Ölanteil, der auf dem Ansaugweg des Kältemittels durch den Antriebsraum 8 und die Kurbelkammer 2 aufgenommen wurde, in dem Ringspalt RS und dichtet diesen in radialer und axialer Richtung ab und wirkt auch als Schmiermittel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Kurbelkammer
- 3
- Taumelscheibe
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Kompressionszylinder
- 6
- Hubkolben
- 7
- Lagerkäfig
- 8
- Antriebsraum
- 9
- Elektromotor
- 10
- Rotor
- 11
- Stator
- 12
- Zwischenwand
- 13
- Durchlassbohrung
- 14
- Durchlassbohrung
- 15
- Eintrittsöffnung
- 16
- Abschlussdeckel
- 17
- Ausstoßöffnung
- 18
- Ventildeckel
- 19
- Ventilplatte
- 20
- Auslassventil
- 21
- Zylinderblock
- 22
- Ansaugventil
- 23
- Kompressionsraum
- 24
- Ringnut
- 25
- Saugraum
- RS
- Ringspalt
