DE19607032A1 - Verfahren zur Regelung der Leistung einer Anlage für die Kühlung des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Leistung einer Anlage für die Kühlung des Fahrgastraumes eines Kraft­ fahrzeuges, bei dem ein auf überkritischen Druck komprimierba­ res Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf mittels eines Taumelscheibenverdichters zirkuliert wird, wobei in dem Kreis­ lauf zumindest zwei Wärmeaustauscher angeordnet sind und ei­ nerseits zwischen diesen der Verdichter und auf der gegenüber­ liegenden Seite des Kreislaufs ein Expansionsventil angeordnet ist.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise bekannt durch die EP-B-0424474. Bei diesem Verfahren erfolgt die Regelung der Kälteleistung indem das zirkulierende Kältemittel nach dem Ex­ pansionsventil und vor dem Verdichter durch ein Kältemittel im flüssigen Zustand enthaltendes Reservoir geführt wird, so daß sich die Menge des zirkulierenden Kältemittels durch Verdam­ pfung aus dem Reservoir in Abhängigkeit vom Regeldruck des Ex­ pansionsventils ändert. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch nur einen verhältnismäßig kleinen Regelbereich. Weiterhin ist nachteilig, daß bei Erhitzung der abgeschalteten Anlage der Druck im Kreislauf sich durch die im Reservoir enthaltene Menge an Kühlmittel auf sehr hohe Werte erhöhen kann, z. B. wenn der Antriebsraum des Kraftfahrzeuges, an dem die Anlage angeordnet ist, nach Abschalten des Fahrzeugmotors und bei zusätzlich hoher Außentemperatur auf z. B. 80°C oder mehr er­ hitzt wird. Bei Verwendung von CO₂ als Kühlmittel, kann dann der Druck je nach Flüssigkeitsanteil im Kühlmittel auf 250 bar und auch wesentlich mehr ansteigen. Folglich wird ein Ablassen bzw. ein Verlust von Kühlmittel durch ein Sicherheitsventil er­ forderlich.

Durch die US-A-5,205,718 ist es weiterhin bekannt, die Rege­ lung der Kälteleistung durch Regelung der Hubweite der Kolben eines Taumelscheibenverdichters auszuführen. Dabei wird die Verstellung der Neigung der Taumelscheibe durch Zuleitung des geförderten Mediums zu dem Treibraum von der Hochdruckseite aus geregelt. Dies führt zu dem Nachteil, daß der Triebraum und die Abdichtung der Antriebswelle des Verdichters hohen Drücken ausgesetzt sind, so daß entsprechend aufwendige Dichtkonstruktionen vorgesehen werden müssen, um den Verlust an Kältemittel entlang der Wellendichtung des Verdichteran­ triebs klein zu halten und um Schäden zu vermeiden.

Den bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß es durch eine auch nach unten begrenzte Regelung erforderlich ist, die Regelung in untersten Bereichen durch An- und Abschalten des Verdich­ terantriebs vorzunehmen, so daß der Verdichter hierfür mit einer Kupplung versehen werden muß, die erheblich zu seinem Gewicht beiträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art zu finden, das eine Regelung der Kälteleistung in größerem Bereich ermöglicht. Vorzugsweise soll dabei die Regelung ohne Abschaltung des Verdichterantriebs bis auf Null möglich sein. Weiterhin soll das Verfahren eine Anlage zu ihrer Ausführung ermöglichen, die ein geringes Gewicht auf­ weist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kreislauf in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil und dem sich hinter diesem anschließenden Wärmeaustauscher mit dem Triebraum des Taumelscheibenverdichters verbunden ist, so daß in diesem mindestens angenähert derselbe Druck wie an dieser Verbindungsstelle vorhanden ist, wobei die Leistungs­ regelung des Taumelscheibenverdichters durch ein Regelventil erfolgt, das in Strömungsrichtung hinter dieser Verbindungs­ stelle und vor seiner Saugseite angeordnet ist, so daß die Verstellung der Neigung der Taumelscheibe des Verdichters durch die geregelte Differenz zwischen dem Druck in der Trieb­ kammer und demjenigen an der Verdichtersaugseite erfolgt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen zu entnehmen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh­ rungsform einer Kühlanlage mit einer Querschnittsdar­ stellung eines Taumelscheibenverdichters,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfüh­ rungsform einer Kühlanlage, mit einem eine Magnetkupp­ lung aufweisenden Taumelscheibenverdichter, dessen Taumelscheibe in eine andere Arbeitsposition eingere­ gelt ist als nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit eingezeichnetem Prozeßverlauf bei einer bestimmten Regelstufen

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Taumelscheibenverdichter entlang der Linie IV-IV der Fig. 1 und

Fig. 5, 6 Teilquerschnitte durch den Taumelscheibenverdichter im Bereich eines Kolbens entlang der Linie V-V der Fig. 4 in zwei Stellpositionen der mechanischen Ven­ tilsteuerung.

Eine Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat entsprechend den Darstellungen der Fig. 1 und 2 auf an sich bekannte Weise einen Verdichter 1, einen sich in Richtung der Zirkulation entsprechend dem Pfeil 2 anschließenden Wärmeaus­ tauscher 3, in welchem dem zirkulierenden Kältemittel Wärme entzogen wird, ein sich in Kreislaufrichtung anschließendes Expansionsventil 4 und einen weiteren Wärmeaustauscher 5, durch den die Kühlung erfolgt, indem das Kühlmittel in diesem von außen Wärme aufnimmt.

In Anwendung für die Klimatisierung des Fahrgastraumes eines nichtdargestellten Kraftfahrzeuges wird der üblicherweise als Kondensator bezeichnete Wärmeaustauscher 3 durch Umgebungsluft gekühlt, indem diese den Wärmeaustauscher 3 als Fahrtwind an­ strömt oder durch ein zusätzliches Gebläse angeblasen wird. Der Wärme aufnehmende bzw. kühlende Wärmeaustauscher 5, der üblicherweise als Verdampfer bezeichnet wird, ist in dem Frischluftverteilsystem des Kraftfahrzeuges oder einem zugehö­ rigen Nebenstromkanal dieses Systems angeordnet, so daß die Frischluft bei Bedarf gekühlt werden kann.

Der als Taumelscheibenverdichter aus geführte Verdichter 1 ist mit dem Fahrzeugantrieb z. B. durch einen nichtdargestellten Keilriemen ständig verbunden, der auf der Riemenscheibe 6 läuft. Sein grundsätzlicher Aufbau und seine grundsätzliche Wirkungsweise sind an sich durch die Fachliteratur bekannt, wie z. B. durch die US-A-5,205,718.

Die Kolben 7 des Taumelscheibenverdichters 1, von denen bei­ spielsweise sieben in Umfangsrichtung des Verdichters neben­ einander angeordnet sind, werden durch Stangen 8 betätigt, deren beiden Enden durch Kugelköpfe 9, 10 schwenkbar einerseits am Kolben 7 und andererseits an der Taumelscheibe 11 gelagert sind. Die Taumelscheibe 11 ist durch ein Radiallager 12 und ein Axiallager 13 auf einem sich mit der Antriebswelle 14 dre­ henden und schwenkbar gelagerten Scheibenträger 15 gehalten, so daß die Drehbewegung des schräggestellten Scheibenträgers 15 eine Taumelbewegung der Taumelscheibe 11 bewirkt und folg­ lich die mit letzterer verbundenen Kolben 7 eine Hubbewegung ausführen. Die Verbindung zwischen der Antriebswelle 14 und dem Scheibenträger 15 erfolgt durch ein am Ende eines Mit­ nehmerarmes 16 vorgesehenes Mitnehmergelenk 17. Die Schwenk­ bewegung des Scheibenträgers 15 und der auf diesem gelagerten Taumelscheibe 11 um das Mitnehmergelenk 17 ergibt sich durch die Differenz der beidseitig der Kolben 7 wirkenden Drücke.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zwei Grenzpositionen der Neigung der Taumelscheibe 11. Entsprechend der Neigung der Taumelscheibe ändert sich der untere Totpunkt der Kolbenbewegung während der obere Totpunkt unverändert bleibt. Je höher der Druck an der Unterseite der Kolben 7 bzw. im Triebraum 18 relativ zum Druck auf der Oberseite der Kolben 7 bzw. auf der Saugseite 19 des Verdichters 1, umso kleiner wird die Hubweite der Kolben 7 und damit die Förderleistung des Verdichters 1.

Damit der für diese Verstellung der Taumelscheibe 11 und damit der Leistung des Verdichters 1 im Triebraum 18 erforderliche Druck keine nachteilig hohen Werte annehmen muß, hat gemäß der Erfindung der Triebraum 18 eine Verbindung mit einer Stel­ le 21 des Kreislaufs, in dem der Druck vorliegt, der durch das Expansionsventil 4 reduziert worden ist. Vorzugsweise wird dieser Druck hinter dem Expansionsventil 4 auf einen konstan­ ten Wert geregelt, der bei der Verwendung von CO₂ als Kälte­ mittel z. B. 40 bar oder einen anderen Wert aufweist, von dem aus der Kreisprozeß unter Berücksichtigung der Leistung des Verdichters vorteilhaft vorwiegend im überkritischen Zustands­ bereich des Kältemittels betrieben werden kann. Außerdem er­ folgt die Verbindung des Kältemittelkreislaufs 2 mit dem Triebraum 18 vorzugsweise an einer Stelle 21, an der das Käl­ temittel im Wärmeaustauscher 5 gekühlt worden ist.

Falls die Verbindung entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 so erfolgt, daß das Kühlmittel durch den Triebraum 18 zirkuliert, so wird dieser dabei gekühlt. Beim Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 2 ist eine Druckverbindung mit dem Triebraum 18 lediglich über eine Abzweigleitung 20 vorgesehen.

Um eine Regelung der Leistung des Verdichters 1 durch den ver­ ringerten Druck nach dem Expansionsventil 4 zu ermöglichen, ist in Strömungsrichtung hinter diesem ein Regelventil 22 vor­ gesehen, durch das der Druck des Kältemittels vor Ansaugung durch den Verdichter 1 weiter reduziert werden kann. Fig. 1 zeigt die Position der Taumelscheibe 11, nachdem der Druck von CO₂ z. B. von 40 auf 20 bar reduziert worden ist.

Zusätzlich zu der Leistungsreduzierung des Verdichters 1 durch Einstellung eines minimalen Hubs seiner Kolben 7 ergibt sich eine Leistungsreduzierung auch durch die geringere Dichte des durch den Verdichter 1 angesaugten Kältemittels, die sich in Folge der Druckreduzierung durch das Regelventil 22 ergibt.

Das Druck-Enthalpie-Diagramm der Fig. 3 veranschaulicht den Kreisprozeß in Richtung des Pfeiles 23 bei Druckreduzierung entlang der Linie 24 im Vergleich zu dem durch die Strichlinie 25 angedeuteten Verlauf bei vollständig geöffnetem Regelventil 22.

Um das nachteilige Zu- und Abschalten des Verdichters zur Re­ gelung oder Abschaltung der Kälteleistung zu vermeiden, ist in weiterer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Funk­ tion der den Kolben-Zylinderräumen zugeordneten Ventile 27 des Verdichters 1 mechanisch abzuschalten. Durch dieses Außerfunktionssetzen der Ventile 27 geht die Förderleistung des Verdichters bis auf Null zurück, so daß die zum Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 gezeigte Magnetkupplung überflüssig wird.

Ein Ausführungsbeispiel für die mechanische Betätigung der als Blattventil ausgeführten Ventile 27 ist in den Fig. 4 bis 6 gezeigt. Für die gemeinsame Betätigung der Ventile 27 sind drei übereinander angeordnete, sich in Umfangsrichtung des Verdichters 1 erstreckende Ringe 28,29,30 vorgesehen, die zu­ mindest im Bereich der Ventile 27 wellenförmig ausgebogen sind. Der innere Ring ist ein Federring 28, der mittlere ein Stellring 29 und der äußere ein Steuerring 30, der aufgrund seiner Form die axiale, über einen kleinen Stößel 31 auf das jeweilige Ventil 27 wirkende Bewegung des Stellringes 29 steu­ ert. Die Steuerbewegung des Steuerringes 30 ergibt sich durch seine Verschiebung Umfangsrichtung mittels eines Stellantriebs 32, der beispielsweise pneumatisch wirkt.

Das Ausführungsbeispiel des Stellantriebs nach Fig. 4 hat eine Membrandose 33, deren Stellmembran eine Hin- und Herbewegung einer Stellstange 34 bewirkt, die in den äußeren Steuerring 30 eingreift.

Fig. 5 zeigt die Ausgangsposition der Ringe 28-30, bei der das Blattventil 27 seine bei normalem Betrieb des Verdichters 1 bestimmungsgemäße Funktion ausführt. Fig. 6 zeigt die Endpo­ sition, in der das Blattventil 27 durch den Stößel 31 nach innen gedrückt gehalten wird und folglich durch die Verdich­ tungsbewegung des Kolbens 7 nicht in Sehließposition bewegen werden kann. Wellenberge des Steuerringes 30 liegen dabei an Wellenbergen des Stellringes 29 an, und Wellenberge des Stell­ ringes 29 drücken die Wellenberge des Federringes 28 flach ge­ gen die Stirnfläche 35 des Verdichters 1.

Die Regelung des Regelventils 22 und damit der Leistung der Kälteanlage kann mittels eines Stellantriebs 36 erfolgen, der einen Stellbefehl beispielsweise durch einen Temperaturfühler 37, der im Kreislauf des Kühlmittels hinter dem Wärmeaustau­ scher 5 angeordnet ist. Für die Anordnung eines die Regelung bestimmenden Temperaturfühlers bestehen jedoch zahlreiche Möglichkeiten, z. B. auch im zu kühlenden Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges.

Für die Regelung des konstanten Druckes vor dem Regelventil 22 ist im Kühlmittelkreislauf zwischen beiden Ventilen 4 und 22 ein Druckmeßfühler 38 vorgesehen, dessen Signal zu einem am Expansionsventil 4 vorgesehenen Stellantrieb 39 geführt ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Regelung der Leistung einer Anlage für die Kühlung des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, bei dem ein auf überkritischen Druck komprimierbares Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf (2) mittels eines Taumelscheibenver­ dichters zirkuliert wird, wobei in dem Kreislauf (2) zumindest zwei Wärmeaustauscher (3, 5) angeordnet sind und einerseits zwischen diesen der Verdichter (1) und auf der gegenüberlie­ genden Seite des Kreislaufs (2) ein Expansionsventil (4) ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (2) in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil (4) und dem sich hinter diesem anschließenden Wärmeaustauscher (5) mit dem Triebraum (18) des Taumelscheibenverdichters (1) verbunden ist, so daß in diesem mindestens angenähert derselbe Druck wie an dieser Verbindungsstelle vorhanden ist, wobei die Lei­ stungsregelung des Taumelscheibenverdichters (1) durch ein Regelventil erfolgt, das in Strömungsrichtung hinter dieser Verbindungsstelle und vor seiner Saugseite (19) angeordnet ist, so daß die Verstellung der Neigung der Taumelscheibe (11) des Verdichters (1) durch die geregelte Differenz zwi­ schen dem Druck in der Triebkammer (18) und demjenigen an der Verdichtersaugseite (19) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (2) des Kältemittels in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil (4) und dem sich hinter diesem anschließenden Wärmeaustauscher (5) durch den Triebraum (18) des Tau­ melscheibenverdichters (1) geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß durch das Expansionsventil (4) der Druck an der Ver­ bindungsstelle und folglich im Triebraum des Taumelscheiben­ verdichters (1) auf einen konstanten Wert geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel CO₂ verwendet wird und durch das Expansions­ ventil (4) der Druck in Strömungsrichtung hinter diesem und folglich im Triebraum (18) des Taumelscheibenverdichters (1) auf 40 bar konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leistungsregelung des Verdichters (1) bis auf Null erfolgt, indem das oder die Sehließelemente (27) des Verdichters durch mechanischen Eingriff einer Regelmecha­ nik (32, 28-30) wahlweise außer Funktion gesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Kältemittel CO₂ verwendet wird.