-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kapazitätssteuerapparat
gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und des Oberbegriffs des Patentanspruchs 2. Dieser
Apparat ist vorgesehen zur Verwendung in Zusammenarbeit mit einem
Kompressor in einem Kühlkreis
einer Automobil-Klimaanlage, oder dgl..
-
Da
der Kompressor in dem Kühlkreis
eines automobilen Klimaanlagen-Systems über einen Riemen direkt vom
Motor angetrieben wird, lässt
sich eine individuelle Drehzahl des Kompressors nicht steuern. Um
dennoch eine ordnungsgemäße Kühlleistung
ohne Begrenzung durch die Motordrehzahl zu erzielen, wird ein Kompressor
verwendet, dessen Kapazität
(die Menge des verdrängten
Kältemittels) unabhängig von
der Kompressordrehzahl variiert werden kann. Konventionelle Kompressoren
dieser Art sind ein Schrägscheibentyp,
ein Rotationstyp, ein Schraubentyp, oder andere Typen. Ein Schrägscheibentyp-Kompressor
weist eine Kurbelkammer auf, die zum Steuern der Kapazität als ein
Drucksteuerraum dient. Der Innendruck dieser Drucksteuerkammer beeinflusst
die momentane Kapazität
des Kompressors. Die Kapazität
wird verändert
durch automatischen Regeln eines Steuerdrucks (Pc) in der Kurbelkammer,
korrespondierend mit Variationen eines Ansaugdrucks (Ps) des Kompressors.
In dem Kapazitätssteuerapparat
dient ein Drucksteuerventil zum Öffnen
oder Schließen
einer Strömungspassage zwischen
der Kurbelkammer (der Drucksteuerkammer) und einer Ansaugkammer
des Kompressors. Dieses Ventil öffnet
und schließt
korrespondierend mit Variationen des Ansaugdrucks. In Schließrichtung
ist der Druck der Umgebungsluft in Kombination mit einer Antriebskraft
aktiv, die durch einen Magneten eingestellt wird. Diese Kräfte werden über eine Membrane übertragen,
auf welche auch der Ansaugdruck in Öffnungsrichtung einwirkt. Dieses
Drucksteuerventil öffnet
und schließt
und variiert so das Niveau des Drucks in der Kurbelkammer. Eine
in dem Drucksteuerventil zwischen einem Ventilsitz und der Membrane
definierte Kammer kommuniziert mit der Drucksteuerkammer. Die andere
Seite des Ventilsitzes kommuniziert mit der Ansaugkammer. Der Steuerdruck
(Pc) in der Kurbelkammer sollte nicht das Druckgleichgewicht des
Drucksteuerventils beein flussen, um die Kapazität korrekt steuern zu können. Aus
diesem Grund muss die wirksame Druckbeaufschlagungsfläche der
Membrane viel größer ausgelegt
sein als die wirksame Druckbeaufschlagungsfläche in dem Ventilsitz. Wenn
die wirksame Druckfläche
der Membrane groß ist,
muss auch der Magnet, der die Antriebskraft für das Drucksteuerventil einstellt,
groß und
schwer sein, was in einer unerwünscht
großen
Baugröße des Apparats
und in hohen Kosten resultiert. Falls die wirksame Druckfläche im Ventilsitz
verringert wird, wird der Drosseleffekt für das Kältemittel, das durch den Ventilsitz
strömt,
signifikant, was in einem unerwünscht
verzögerten
Ansprechverhalten des Kapazitätssteuerapparats
resultiert.
-
Der
Kapazitätssteuerapparat
eines Kompressors mit variabler Kapazität des Schrägscheibentyps gemäß
EP 0 498 552 A (
2)
weist die das Ventilelement enthaltende Kammer auf, die mit der Ansaugkammer
so kommuniziert, dass die Membrane in Öffnungsrichtung des Steuerventils
durch den Ansaugdruck beaufschlagt wird. Der Ventilsitz ist an der
der das Ventilelement enthaltenden Kammer abgewandten Seite mit
der Drucksteuerkammer verbunden. Die hintere Seite der Membrane
wird durch den Druck der Umgebungsluft beaufschlagt, ferner durch
die Kraft einer Kompressionsfeder, und wahlweise durch die Kraft
eines Magneten. Die wirksame Druckfläche der Membrane hat eine viel
größere Abmessung
als die wirksame Druckfläche
des Ventilelementes, die durch den Querschnitt des Ventilsitzes definiert
wird.
-
-
Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, einen Kapazitätssteuerapparat anzugeben,
der eine kleine Baugröße hat und
mit günstigen
Kosten hergestellt werden kann.
-
Dieser
Gegenstand wird erzielt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
und der Merkmalskombination des Patentanspruchs 2.
-
Als
Folge der zumindest im Wesentlichen gleichen effektiven Größen der
Druckbeaufschlagungsflächen
an der Membrane und im Inneren des Ventilsitzes beeinflusst der
Steuerdruck in der Drucksteuerkammer oder Kurbelkammer das Druckgleichgewicht
der Öffnungs-
und Schließhübe des Ventilelementes
in der Drucksteuer-Ventilkammer nicht.
-
Der
Ventilsitz kommuniziert außerhalb
der Kammer mit dem Ansaugraum. Eine kleindimensionierte effektive
Druckbeaufschlagungsfläche
an der Membrane reicht aus für
eine ordnungsgemäße Steuerfunktion.
Als eine Konsequenz gestattet es die kleine effektive Druckbeaufschlagungsfläche der Membrane,
einen kleinbauenden und kostengünstigen
Magneten zu verwenden. Da es hier keinen Bedarf gibt, für den Ventilsitz
eine kleindimensionierte, effektive Druckbeaufschlagungsfläche zu verwenden,
kann dieselbe Größe der effektiven
Druckbeaufschlagungsfläche
für den
Ventilsitz verwendet werden, wie die effektive Druckbeaufschlagungsfläche an der
Membrane. Daraus ergibt sich, dass beispielsweise während eines Öffnungshubes
des Drucksteuerventils, das Ansprechverhalten der Kapazitätssteuerung
nicht verzögert
wird. Das Steuerverhalten des Drucksteuerventils ist stabil. Es
ist nicht erforderlich, die Strömung
zwischen der Ansaugkammer und der Kurbelkammer durch einen kleinen
Querschnitt in der Passage des Ventilsitzes einzudrosseln.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
diskutiert.
-
Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
axiale Schnittansicht eines Drucksteuerventils eines Kapazitätssteuerapparats, und
-
2 eine
schematische Ansicht, teilweise als Schnitt, eines Bereiches eines
Kühlkreises.
-
In 1 ist
ein Drucksteuerventil 20 eines Kapazitätssteuerapparats eines Kühlkreises
(2) für
ein Automobil gezeigt. Das Drucksteuerventil 20 weist ein
Gehäuse 37 mit
einer inneren gestuften Bohrung 41 auf, die eine Kammer 30 definiert,
und ferner ein Gehäuse 38,
das einen Magneten (Magnetspule 21, fixierter Eisenkern 22,
beweglicher Eisenkern 23) aufnimmt. Das Gehäuse 38 ist
mit dem Gehäuse 37 verbunden.
Eine Membrane 24 ist an einer kreisförmigen Schulter einer zentralen
Gehäusebohrung
stationär
festgelegt und weist einen inneren Durchmesser S2 auf. S2 definiert
die effektive Druckbeaufschlagungsfläche der Membrane 24.
Die Membrane 24 kann an ihrer in 1 unteren
Fläche
von dem Druck der Umgebungsluft beaufschlagt sein. Die Membrane 24 dient
zum Separieren des inneren Raums des Gehäuses 38 von der Kammer 30.
Die Membrane 24 ist undurchlässig ausgebildet. Ein oberes
Betätigungsende
des beweglichen Eisenkems 23 liegt an der unteren Fläche der
Membrane 24 an. Eine Kompressionsschraubenfeder 27 in
einer unteren Kammer des Gehäuses 38,
deren Beaufschlagungskraft eingestellt werden kann, beaufschlagt den
beweglichen Eisenkern 23 nach oben. Die Kraft der Kompressionsschraubenfeder 27 wird über eine Stange 29 auf
den beweglichen Eisenkern 23 übertragen, wobei sich die Stange 29 durch
eine Mittelbohrung des fixierten Eisenkems 22 erstreckt.
-
Sobald
die Magnetspule 21 mit Strom beaufschlagt wird, wird der
bewegliche Eisenkern 23 durch den fixierten Eisenkern 22 mit
einer Kraft angezogen, die der Kraft der Kompressionsfeder 27 entgegengesetzt
ist. Der Wert des der Magnetspule 21 zugeführten Stroms
ist entscheidend für
die resultierende Kraft, die auf die untere Fläche der Membrane 24 einwirkt.
-
In
der Bohrung 41 und der Kammer 30 ist ein axial
bewegbares Ventilelement 25 von allgemein zylindrischer
Gestalt vorgesehen. Das Ventilelement 25 ist säulenartig
ausgebildet und wird mit radialem Spiel in der Bohrung 41 geführt. Sein
unteres, konvexes Ende liegt an der oberen Fläche der Membrane 24 an.
Das Ventilelement 25 ist mit einem kegelstumpfförmigen Schließteil 25a ausgebildet,
der mit einem Ventilsitz 26 zusammenarbeitet. Der Ventilsitz 26 ist
in dieser Ausführungsform
durch einen kreisförmigen
innere Rand einer Hülse 39 konstituiert,
die in das obere Ende der Kammer 30 eingesetzt ist. Die Hülse 39 enthält ein axial
einstellbares Federwiderlager 40 für eine zweite Kompressionsschraubenfeder 28,
welche das Ventilelement 25 in einer Richtung entgegengesetzt
zu der Richtung der Kraft der ersten Kompressionsschraubenfeder 27 beaufschlagt.
Die Federn 27 und 28 sind Drucksteuerfedern.
-
In
einer Seitenwand des Gehäuses 37 ist
ein Kurbelkammer-Verbindungsanschluss 31 vorgesehen, der
in der Seitenwand der Kammer 30 mündet und mit einem Kurbelkammerrohr 5 (Steuerdruck
Pc) verbunden ist. An dem äußeren Ende
der Hülse 39 ist ein
axialer Ansaugkammer-Verbindungsanschluss 32 ausgebildet,
der mit einem Ansaugrohr 6 (Ansaugdruck Ps) verbunden ist.
Der Ventilsitz 26 definiert eine effektive Druckbeaufschlagungsfläche S1 für das Ventilelement 25.
Diese effektive Druckbeaufschlagungsfläche S1 hat dieselbe Größe wie die
effektive Druckbeaufschlagungsfläche
S2 der Membrane 24 (S1 = S2). Aus diesem Grund bleibt der
Einfluss des Steuerdrucks Pc in der Kammer 30 für das Ventilelement 25 druckausgeglichen,
so dass er die Öffnungs-
oder Schließhübe des Ventilelements 25 nicht
beeinflusst. Jedoch wirkt auf das Ventilelement 25 der
Ansaugdruck Ps auf der effektiven Druckbeaufschlagungsfläche S1 in
derselben Richtung wie die Kompressionsschraubenfeder 28,
nämlich
entgegengesetzt zu der Antriebskraft, die durch die Kompressionsschraubenfeder 27 abzüglich der
Anzugskraft für
den beweglichen Eisenkern 23 generiert wird, zuzüglich der
Kraft, die durch den Druck der Umgebungsluft an der unteren Fläche der
Membrane 24 entsteht. Im Inneren der Kammer 30 wirkt
auch der Druck Pc auf die effektive Druckbeaufschlagungsfläche S2 der
Membrane 24 in derselben Richtung wie der Druck Ps und
die Kraft der Kompressionsschraubenfeder 28. In anderen
Worten wirken über
die Membrane 24 der Druck der Umgebungsluft und die resultierende
Antriebskraft von der Kompressionsschraubenfeder 27 sowie
die Anzugskraft des beweglichen Eisenkerns 23 auf das Ventilelement 25 in
Schließrichtung
zu dem Ventilsitz 26, während
der Ansaugdruck Ps und die Kraft der Feder 28 auf das Ventilelement 25 in Öffnungsrichtung
einwirken. In Öffnungsrichtung
kann auch der Druck Pc an der Membrane 24 wirksam sein.
-
2 illustriert
das in ein Klimaanlagensystem eines Automobils integrierte Drucksteuerventil 20.
Das System enthält
einen Kompressor 10 mit variabler Kapazität des Schrägscheibentyps.
In der luftdichten Kurbelkammer 12 des Kompressors 10 ist eine
Drehwelle 11 angeordnet, die über einen Riemen von einer
Riemenscheibe 13 angetrieben wird. In der Kurbelkammer 12 ist
der Drehwelle 11 eine Scheibe 14 zugeordnet. Die
Schrägstellung
der Scheibe 14 kann in Relation zur Achse der Drehwelle 11 zwischen
einer Position, in welcher die Scheibe 14 im Wesentlichen
senkrecht zur Drehwelle 11 steht (minimale Kapazität) und einer
schräggestellten
Position eingestellt werden, in welcher die Scheibe 14 mit
der Achse der Drehwelle 11 einen Winkel kleiner als 90° einschließt (maximale
Kapazität).
Die Schrägstellung
der Scheibe 14 kann graduell zwischen der maximalen Kapazität und der
minimalen Kapazität verstellt
werden. Sobald die Drehwelle 11 rotiert, führt die
schräggestellte
Scheibe 14 eine taumelnde Bewegung aus, deren Hubausmaß von der
gewählten Schrägstellung
abhängt.
-
In
der Kurbelkammer 12 ist seitlich in zumindest einem Zylinder 15 ein
hin- und hergehend antreibbarer Kolben 17 angeordnet. Der
Kolben 17 ist mit der Scheibe 14 durch eine Pleuelstange 18 verbunden.
Sobald die Scheibe 14 taumelt, wird der Kolben 17 im
Zylinder 15 hin- und
herbewegt, und wird aus einer Ansaugkammer 3 (Ansaugdruck
Ps) Kältemittel
mit nied rigem Druck in den Zylinder 15 eingesaugt. Das
Kältemittel
wird dann im Zylinder 15 durch den Kolben 17 komprimiert
und mit hohem Druck (Auslassdruck Pd) in eine Auslasskammer 4 verdrängt.
-
Das
angesaugte Kältemittel
wird aus einem Verdampfer (nicht gezeigt) über eine Ansaugleitung 1 zugeführt, wobei
der Verdampfer stromauf der Ansaugkammer 3 angeordnet ist.
Das unter hohem Druck stehende Kältemittel
wird aus der Auslasskammer 4 durch eine Auslassleitung 2 in
einen Kondensator (nicht gezeigt) geliefert, der stromab der Auslasskammer 4 angeordnet
ist.
-
Der
Schrägstellungswinkel
der Scheibe 14 wird geändert
in Abhängigkeit
von dem Wert des Steuerdrucks Pc in der Kurbelkammer. Die Menge des
abgegebenen, unter hohem Druck stehenden Kältemittels (die Kapazität des Kompressors 10)
variiert entsprechend dem Schrägstellungswinkel
der Scheibe 14. Indirekt variiert auch der Ansaugdruck Ps
in Abhängigkeit
von der Schrägstellung.
-
Der
Steuerdruck Pc in der Kurbelkammer 12 wird durch das Drucksteuerventil
automatisch gesteuert. Die Steuerdruck-Leitung 5 verbindet
die Kurbelkammer 12 mit dem Anschluss 31. Eine
Ansaug-Zweigleitung 6 verbindet den Anschluss 32 mit der
Ansaugleitung 1. Die Steuerdruck-Leitung 5 kommuniziert
zusätzlich
und direkt mit der Auslassleitung 2 über eine kleine Leckagepassage 7.
-
In
einem Zustand, in welchem der Wert des der elektromagnetischen Spule 21 zugeführten Stroms
fixiert ist, führt
das Ventilelement 25 Öffnungs-
und Schließbewegungen
entsprechend den Variationen des Ansaugdrucks Ps aus. Sobald der Ansaugdruck
Ps hoch genug ist, wird das Ventilelement 25 von dem Ventilsitz 26 abgehoben
und gleicht sich der Steuerdruck Pc in der Kurbelkammer 12 zumindest
weitgehend an den Ansaugdruck Ps (maximale Kapazität) an. Sobald
das Ventilelement 25 auf den Ventilsitz 26 aufgesetzt
ist, und da dann der Ansaugdruck Ps niedrig ist, strömt über die
Leckagepassage 7 und die Leitung 5 unter hohem
Druck stehendes Kältemittel
in die Kammer 30 und gleichzeitig in die Kurbelkammer 12.
Der Steuerdruck Pc nimmt zu und die Kapazität des Kompressors 10 nimmt
entsprechend ab. Mit abnehmender Kapazität des Kompressors 10 nimmt
der Ansaugdruck Ps erneut zu, bis das Ventilelement 25 erneut
von dem Ventilsitz 26 abgehoben wird.
-
Die
Kapazität
des Kompressors 10 wird zu einem bestimmten Steuerniveau
geregelt, das bestimmt ist durch den Wert des elektrischen Stroms, der
der elektromagnetischen Spule 21 zugeführt wird. Dieses Steuerniveau
kann beliebig geändert werden
durch Variieren der elektrischen Stroms für die elektromagnetische Spule 21.
-
Der
Wert des elektrischen Stroms für
die elektromagnetische Spule 21 wird gesteuert über einen
nicht gezeigten Treibschaltkreis und durch einen Steuerteil 8,
der eine CPU oder dgl. enthält.
Steuerinformationen für
den Steuerteil 3 werden in Form detektierter Signale eingegeben
von einem Motorsensor, von Temperatursensoren innerhalb und außerhalb
des Automobil-Innenraums, einem Verdampfer-Druck- und/oder – Temperatursensor,
und möglicherweise
anderen Sensoren, die unterschiedliche Arten von Konditionen detektieren,
welche für
den Betrieb des Kompressors 10 in dem Kältekreis entscheidend sind.
-
Die
Membrane 24 des Drucksteuerventils 20 in dem Kapazitätssteuerapparat
des Kompressors 10 besitzt eine viel kleinere effektive
Druckbeaufschlagungsfläche
als Membranen in Apparaten des Standes der Technik. Es ist in Verbindung
mit einer kleindimensionierten Membrane möglich, die Kapazität des Kompressors
unter Verwendung eines kleinbauenden und kostengünstigen Magneten ordnungsgemäß zu regeln.
Weiterhin ist es nicht notwendig, in dem Drucksteuerventil 20 einen
Ventilsitz mit einer sehr kleinen Größe vorzusehen. Da der Ventilsitz
dieselbe Größe hat wie
die effektive Druckbeaufschlagungsfläche der Membrane 24,
wird ein ausreichend starker Kältemittelstrom
erzielt, wenn das Drucksteuerventil 20 öffnet. Dadurch wird das Regelverhalten nicht
verzögert.
Es kann der beschriebene Kapazitätssteuerapparat
auch verwendet werden für
einen Kompressor eines Rotationstyps oder eines Schraubentyps.