DE19840941A1 - Kompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor, insbesondere für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten Ver­ dichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdich­ tereinheit in einem Zylinderblock laufende Kolben und eine die Kolben antreibende Antriebsscheibe - Taumel- oder Schwenkscheibe - umfaßt.

Kompressoren der hier in Rede stehenden Art werden meist als Klimakompressoren bezeichnet und sind aus der Praxis in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Solche Kompressoren umfassen ein Gehäuse, welches eine von außerhalb angetriebene Verdichter- bzw. Pumpeneinheit einschließt. Die beispielsweise als Axialkolbenpumpe ausgebildete Pumpeneinheit umfaßt wiederum mindestens einen Kolben, der in einem Zylinderblock hin und her bewegbar ist. Üblicherweise ist ein solcher Kompressor mit mehreren Kolben ausgestattet, die bei Drehung einer Tau­ melscheibe über eine Aufnahmescheibe oder beim Schwenken einer Schwenk­ scheibe in Richtung ihrer Längsachse hin und her bewegt werden, wobei - im Falle einer Taumelscheibe - die Aufnahmescheibe drehfest im Gehäuse gelagert ist.

Taumelscheibenkompressoren sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Lediglich beispielhaft wird dazu auf die DE 44 41 721 A1 und die DE 196 11 004 A1 verwiesen.

Gemäß DE 44 41 721 A1 umfaßt der Kompressor eine auf einer Antriebswelle ge­ stützte Taumelscheibe, um eine einheitliche Drehbewegung auszuführen. Die Tau­ melscheibe ist mit einer Vielzahl von in einem Zylinderblock hin und her bewegbaren Kolben gekoppelt, wobei die Zylinder-Kolben-Anordnung zum Komprimieren eines Gases dient. Bei den Kolben kann es sich auch um doppelt wirkende Kolben han­ deln.

Im konkreten wirkt die Taumelscheibe mit der mit dem Kolben gekoppelte Aufnahme­ scheibe zusammen, die drehfest im Gehäuse des Kompressors angeordnet ist und sich über eine Stützeinrichtung an einem drehfesten Widerlager abstützt. Das Wi­ derlager dient dazu, das Drehmoment, das von der rotierenden Taumelscheibe auf die Aufnahmescheibe übertragen wird, abzufangen.

Des weiteren ist bei den bekannten Kompressoren der hier in Rede stehenden Art wesentlich, daß sich der Neigungswinkel der Taumelscheibe bzw. Schwenkscheibe, nachfolgend stets Antriebsscheibe genannt, mittels einer besonderen Gelenkvor­ richtung verändern läßt, um nämlich die Kolben hin und her zu bewegen. In Bezug auf die Kolbenlängsachse kippt jedoch die Antriebsscheibe aufgrund deren geome­ trischer Anordnung bzw. aufgrund der dortigen Schwenkachse derart, daß über der Hubstellung der obere Totpunkt "wandert". Dadurch entsteht ein Kippfehler bzw. ein Schadraum, der sich auf den Wirkungsgrad des Kompressors negativ auswirkt.

Aus der Praxis sind auch Ansätze zur Reduzierung des Schadraums bekannt, näm­ lich konstruktiv äußerst aufwendige Lösungen mit innen liegender Gelenkvorrichtung. Hierzu sei lediglich beispielhaft auf die DE 35 45 200 C2 verwiesen. Trotz des dort betriebenen konstruktiven Aufwandes läßt sich die zuvor erörterte Problematik bis­ lang nicht eliminieren, so daß bei den bislang bekannten Kompressoren der hier in Rede stehenden Art ein daraus resultierender Wirkungsgradverlust hingenommen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kompressor der gattungsgemäßen Art durch Optimierung des Schadraums hinsichtlich seines Wir­ kungsgrades zu verbessern, und zwar unter Berücksichtigung einer reduzierten Bau­ größe.

Der erfindungsgemäße Kompressor löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach ist ein Kompressor der eingangs ge­ nannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe derart gelagert ist, daß die Mittellinie der Lagerung (Schwenk- oder Lagerachse) eine Tangente des den Hub definierenden Teilkreises bildet, so daß der Neigungswinkel der Antriebsscheibe veränderbar ist, ohne den oberen Totpunkt über der Hubstellung zu verschieben.

Erfindungsgemäß ist zu nächst einmal erkannt worden, daß sich durch Optimierung des Schadraums der Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen Kompressors erhöhen läßt. Des weiteren ist erkannt worden, daß eine Optimierung des Schadraums da­ durch möglich ist, daß eine besondere Lagerung der Antriebsscheibe, d. h. der Tau­ mel- oder Schwenkscheibe, realisiert wird. Die Antriebsscheibe wird in erfindungs­ gemäßer Weise nämlich derart gelagert, daß die Mittellinie der Lagerung, d. h. die Schwenk- oder Lagerachse der Antriebsscheibe, eine Tangente des den Schub defi­ nierenden Teilkreises bildet, so daß der Neigungswinkel der Antriebsscheibe verän­ derbar ist, ohne den oberen Totpunkt über den Hub zu verschieben. Mit anderen Worten wird die Schwenk- oder Lagerachse der Antriebsscheibe derart positioniert, daß die Antriebsscheibe genau über der Kolbenlängsachse kippt. Dadurch ist ausge­ schlossen, daß sich der obere Totpunkt bei der Hubstellung des Kolbens verändert bzw. daß der Totpunkt wandert. Vielmehr wird er über der Hubstellung konstant ge­ halten.

Letztendlich wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme erreicht, daß der Momen­ tanpol auf dem Teilkreisdurchmesser liegt. Entsprechend ist der Momentanpol bezo­ gen auf das rotierende Bezugssystem bei der Antriebswelle ortsfest, wobei hier Schwenkungen der Antriebsscheibe bis ca. 20° ohne weiteres realisierbar sind.

Im konkreten ist die Antriebsscheibe über eine deren Randbereich zugeordnete Ge­ lenkvorrichtung mit der Antriebswelle wirkverbunden. Dazu kann die Antriebsscheibe über die Gelenkvorrichtung an einen mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Mit­ nahmekörper angelenkt sein, um dort nämlich die Schwenkbewegung ausüben zu können. In weiter vorteilhafter Weise ist die Antriebsscheibe von dem Mitnahmekör­ per zumindest teilweise umgeben, wobei dieser ringförmig, vorzugsweise trommel­ förmig, ausgebildet sein kann. Ebenso ist es denkbar, daß der Mitnahmekörper als Ringsegment ausgebildet ist. Jedenfalls kann es sich bei dem Mitnahmekörper so­ wohl um ein separates Bauteil als auch um einen integralen Bestandteil der An­ triebswelle handeln.

In weiter vorteilhafter Weise bildet der Mitnahmekörper einen Anschlag für die Schwenkbewegung der Antriebsscheibe. Dabei kann er sich um einen Anschlag so­ wohl für die maximale als auch für die minimale Verschwenkung der Antriebsscheibe handeln. Entsprechend kommt dabei die Antriebsscheibe bzw. eine dort vorgese­ hene Schulter oder dergleichen innerhalb des Mitnahmekörpers zur Anlage, wobei dort entsprechende Anlageflächen, Stufen, Verkantungen oder dergleichen vorgese­ hen sind.

Die Antriebsscheibe ist über ein zwischen der Antriebsscheibe und dem Mitnahme­ körper wirkendes Schwenklager gelagert, wobei dieses Schwenklager auf unter­ schiedlichste Arten konstruiert sein kann. So kann das Schwenklager beispielsweise Kugelabschnitte oder zwischen Antriebsscheibe und Mitnahmekörper wirkende La­ gerstifte umfassen.

Entsprechend den voranstehenden Ausführungen ist die Gelenkvorrichtung dem Randbereich der Antriebsscheibe zugeordnet. Dabei ist es von weiterem Vorteil, daß das hier konkret gewählte Schwenklager entsprechend seiner Breite in den Mitnah­ mekörper derart positioniert eingreift, daß die Antriebsscheibe exakt über der Kol­ benlängsachse kippt.

Wie ebenfalls bereits zuvor ausgeführt, dient die Antriebsscheibe zur Bewegung der Kolben. Dazu wirken zwischen der Antriebsscheibe und den Kolben Kopplungsmittel, die einen dem Kolben zugeordneten, vorzugsweise im Sinne einer Gleitbahn wirken­ den Umgriff und einen der Antriebsscheibe zugeordneten, vorzugsweise im Sinne ei­ nes Gleitschuhs wirkenden Kugelkörper umfassen. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Kopplungsmitteln um eine Anlenkung, die ein verschwenkfreies Bewe­ gen der Kolben entlang der Kolbenlängsachse gestattet, wobei der Antrieb - über die Antriebsscheibe - mit sich ständig verändernden Winkeln angreift.

Hinsichtlich einer konkreten Ausgestaltung der Kopplungsmittel ist von ganz beson­ derer Bedeutung, daß der Umgriff des Kolbens auf der der Antriebswelle zugewand­ ten Seite die Antriebsscheibe durchdringt und nach außen, vorzugsweise unter Ein­ beziehung des Gleitschuhs bzw. des Kugelkörpers, zumindest teilweise umgreift. Folglich erfolgt hier der Umgriff von innen, während der Umgriff bei den bislang be­ kannten Kompressoren der hier in Rede stehenden Art ausschließlich von außen realisiert ist. Bei entsprechender Dimensionierung des Zylinderblocks und der Kolben läßt sich hierdurch die Baugröße, jedenfalls aber der Halbkreisdurchmesser, reduzie­ ren.

Des weiteren ist es von Vorteil, wenn der Zylinderblock eine Verdrehsicherung für die Kolben umfaßt. Die Verdrehsicherung kann auf unterschiedlichste Weisen realisiert sein. So könnte eine Abstützfläche zwischen Zylinderblock und Kolben vorgesehen sein, so daß insoweit ein Verdrehen des Kolbens ausgeschlossen ist. Ebenso könnte die Verdrehsicherung als Abstützfläche zwischen Kolben und Antriebswelle ausge­ führt sein. Eine Abstützfläche zwischen Kolben und Mitnahmekörper ist ebenfalls denkbar. Alternativ dazu könnten die Kolben "nicht rund" ausgeführt sein, so daß bei entsprechender Gestaltung des Zylinderblocks eine Verdrehsicherung realisiert ist. Schließlich könnte dem Kolben ein Führungselement als Verdrehsicherung zugeord­ net sein, wobei es sich dabei um einen Stift oder dergleichen handeln kann.

Schließlich könnte die Antriebsscheibe selbst modifiziert werden, nämlich im Sinne eines aus der Praxis hinlänglich bekannten Fliehkraftreglers arbeiten.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol­ gende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Kompressors, wobei die als Schwenkscheibe aus­ geführte Antriebsscheibe um das durch einen Anschlag definierte Min­ destmaß geneigt bzw. geschwenkt ist,

Fig. 2 den Gegenstand aus Fig. 1, wobei die Schwenkscheibe entsprechend einem das maximale Verschwenken definierenden Anschlag geneigt ist,

Fig. 3 den Gegenstand aus Fig. 1 im Querschnitt,

Fig. 4 in einem schematischen Längsschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kompressors, wobei die Schwenkscheibe entsprechend einem das maximale Verschwenken definierenden An­ schlag analog der Darstellung in Fig. 2 geneigt ist, und

Fig. 5 den Gegenstand aus Fig. 4 im Querschnitt analog der Darstellung in Fig. 3.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines Kompressors für die Klima­ anlage eines Kraftfahrzeugs. Der Kompressor umfaßt ein Gehäuse 1 und eine in dem Gehäuse 1 angeordnete Verdichtungseinheit 2 zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei es sich bei dem Kältemittel bevorzugt um CO₂ handeln kann.

Das Kältemittel strömt von einem in einem stirnseitigen Gehäusedeckel 3 ausgebil­ deten Ansaugbereich 4 durch die Verdichtereinheit 2 hindurch in den ebenfalls im Gehäusedeckel 3 ausgebildeten Auslaßbereich 5.

Die Fig. 1 und 2 zeigen besonders deutlich die im Gehäuse 1 angeordnete Verdich­ tereinheit 2 zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels, wobei die Verdichterein­ heit 2 in einem Zylinderblock 6 laufende Kolben 7 und eine die Kolben 7 antreibende Antriebsscheibe umfaßt, wobei es sich hier im konkreten um eine Schwenkscheibe 8 handelt.

Erfindungsgemäß ist die Schwenkscheibe 8 derart gelagert, daß die Mittellinie 9 der Lagerung, d. h. die Schwenk- oder Lagerachse der Schwenkscheibe 8, eine Tan­ gente des den Hub definierenden Teilkreises 10 bildet, so daß der Neigungswinkel 11 der Schwenkscheibe 8 veränderbar ist, ohne den Totpunkt über der Hubstellung zu verschieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen jedenfalls gemeinsam, daß die Schwenk­ scheibe 8 genau über der Kolbenlängsachse 12 kippt, daß nämlich der Momentenpol auf dem Teilkreis 10 liegt und dabei bezogen auf das rotierende Bezugssystem der Antriebswelle 13 ortsfest ist.

Fig. 3 zeigt deutlich, daß die Schwenkscheibe 8 über eine deren Randbereich zuge­ ordnete Gelenkvorrichtung 14 mit der Antriebswelle 13 wirkverbunden ist. Dazu ist die Schwenkscheibe 8 an einen mit der Antriebswelle 13 drehfest verbundenen Mit­ nahmekörper 15 angelenkt, wobei es sich bei dem Mitnahmekörper 15 um einen trommelartigen Körper handelt, welcher gleichzeitig einen Anschlag 16, 17 für die Schwenkbewegung der Schwenkscheibe 8 bildet. Dies läßt sich insbesondere den Fig. 1 und 2 entnehmen, wobei in Fig. 1 der Anschlag 16 für die minimale Ver­ schwenkung und in Fig. 2 der Anschlag 17 für die maximale Verschwenkung der Schwenkscheibe 8 - mit der jeweiligen Position der Schwenkscheibe 8 - dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt des weiteren, daß die Schwenkscheibe 8 über ein zwischen der Schwenkscheibe 8 und dem Mitnahmekörper 15 wirkendes Schwenklager 18 gela­ gert ist, wobei dieses Schwenklager 18 Lagerstifte 19 umfaßt, die in den Mitnahme­ körper 15 zur schwenkbaren Anlenkung der Schwenkscheibe 8 greifen.

Den Fig. 1 bis 3 läßt sich insgesamt entnehmen, daß zwischen der Schwenkscheibe 8 und den Kolben 7 Kopplungsmittel 20 wirken, die einen dem Kolben 7 zugeordne­ ten Umgriff 21 und einen der Schwenkscheibe 8 zugeordneten Gleitschuh bzw. Ku­ gelkörper 22 umfassen. Dabei durchdringt der Umgriff 21 des Kolbens 7 auf der der Antriebswelle 13 zugewandten Seite die Schwenkscheibe 8 und erstreckt sich von dort nach außen, und zwar unter Einbeziehung des Kugelkörpers 22. Dabei wird der Kugelkörper 22 zumindest teilweise umgriffen.

In Fig. 1 bis 3 ist lediglich angedeutet, daß der Zylinderblock 6 eine Verdrehsicherung für den Kolben 7 umfaßt, nämlich in Form einer Abstützfläche 23 zwischen Zylinder­ block 6 und den Kolben 7.

Gemäß dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist verhin­ dert, daß sich der Schwerpunkt der Schwenkscheibe 8 exzentrisch zur Drehachse 24 der Maschine bzw. Antriebswelle 13 verlagert. Dies ist beispielhaft durch die Vorkeh­ rung zweier Paare von Langlöchern 25, 26 erreicht, nämlich einmal axial im umlau­ fenden bzw. rotierenden "Topf" und ein zweites Mal in der mit dem "Topf" rotierenden Schwenkscheibe 8.

Die bei dem ersten Ausführungsbeispiel bereits vorgesehenen Lagerstifte 19 greifen dabei nicht mehr in eine runde Bohrung ein, sondern in das Langloch 25 der Schwenkscheibe 8. Der damit eröffnete Freiheitsgrad wird durch an der Schwenk­ scheibe 8 vorgesehene Stifte 27 und die Langlöcher 26 im "Topf" wieder derart ein­ geengt, daß die Schwenkscheibe 8 noch immer die geforderte Schwenkbewegung ausführen muß, aber gleichzeitig eine Verlagerung des Schwenkscheibenschwer­ punkts durch Änderung des Schwenk- oder Kippwinkels verhindert ist. Die Axialkraft wird über die Lagerstifte 19 übertragen, das Drehmoment über die Stifte 27.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die den Figuren nicht zu entnehmen sind, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.

Abschließend sei hervorgehoben, daß das voranstehend lediglich beispielhaft ge­ nannte Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Lehre lediglich erläutert, jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims (21)

1. Kompressor, insbesondere für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit ei­ nem Gehäuse (1) und einer in dem Gehäuse (1) angeordneten Verdichtereinheit (2) zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit (2) in einem Zylinderblock (6) laufende Kolben (7) und eine die Kolben (7) antreibende An­ triebsscheibe (8) - Taumel- oder Schwenkscheibe - umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (8) derart gelagert ist, daß die Mittellinie (9) der Lagerung (Schwenk- oder Lagerachse) eine Tangente des den Hub definierenden Teilkreises (10) bildet, so daß der Neigungswinkel (11) der Antriebsscheibe (8) veränderbar ist, ohne den oberen Totpunkt über der Hub­ stellung zu verschieben.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (8) über eine deren Randbereich zugeordnete Gelenkvorrichtung (14) mit der An­ triebswelle (13) wirkverbunden ist.

3. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (8) über die Gelenkvorrichtung (14) an einen mit der Antriebswelle (13) drehfest ver­ bundenen Mitnahmekörper (15) angelenkt ist.

4. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (8) von dem Mitnahmekörper (15) zumindest teilweise umgeben ist.

5. Kompressor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnah­ mekörper (15) ringförmig, vorzugsweise trommelförmig, ausgebildet ist.

6. Kompressor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnah­ mekörper (15) als Ringsegment ausgebildet ist.

7. Kompressor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnahmekörper (15) integraler Bestandteil der Antriebswelle (13) ist.

8. Kompressor nach einem der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnahmekörper (15) einen Anschlag (16, 17) für die Schwenkbewegung der An­ triebsscheibe (8) bildet.

9. Kompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnahmekörper (15) sowohl für die maximale als auch für die minimale Verschwenkung der Antriebs­ scheibe (8) jeweils einen Anschlag (16, 17) bildet.

10. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (8) über ein zwischen der Antriebsscheibe (8) und dem Mitnah­ mekörper (15) wirkendes Schwenklager (18) gelagert ist.

11. Kompressor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenkla­ ger (18) einen Kugelabschnitt umfaßt.

12. Kompressor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenkla­ ger einen Lagerstift (19) umfaßt.

13. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antriebsscheibe (8) und den Kolben (7) Kopplungsmittel (20) wirken, die einen dem Kolben (7) zugeordneten, vorzugsweise im Sinne einer Gleitbahn wir­ kenden Umgriff (21) und einen der Antriebsscheibe (8) zugeordneten, vorzugsweise im Sinne eines Gleitschuhs wirkenden Kugelkörper (22) umfassen.

14. Kompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgriff (21) des Kolbens (7) auf der der Antriebswelle (13) zugewandten Seite die Antriebs­ scheibe (8) durchdringt und nach außen, vorzugsweise unter Einbeziehung des Gleitschuhs bzw. des Kugelkörpers (22), zumindest teilweise umgreift.

15. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (6) eine Verdrehsicherung für die Kolben (7) umfaßt.

16. Kompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehsiche­ rung als Abstützfläche (23) zwischen Zylinderblock (6) und Kolben (7) ausgeführt ist.

17. Kompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehsiche­ rung als Abstützfläche (23) zwischen Kolben (7) und Antriebswelle (13) ausgeführt ist.

18. Kompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehsiche­ rung als Abstützfläche (23) zwischen Kolben (7) und Mitnahmekörper (15) ausgeführt ist.

19. Kompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdrehsiche­ rung "nicht runde" Kolben (7) vorgesehen sind.

20. Kompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdrehsiche­ rung ein Führungselement, vorzugsweise ein Stift, im Kolben (7) vorgesehen ist.

21. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (8) im Sinne eines Fliehkraftreglers arbeitet.