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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft ein Klimaanlagen-System, und spezieller ein Klimaanlagen-System,
das einen mit einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor betätigten Klimakompressor
einschließt.
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Technischer
Hintergrund
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Kompressoren
können
innerhalb eines Kühlsystems
arbeiten, wie etwa einem Klimaanlagensystem, um durch Verdichtung
eines Arbeitsfluids Kühlkapazität zu schaffen.
Ein Kompressor schließt
typischerweise eine Riemenscheibe ein, die durch eine Antriebskraft
gedreht wird um Verdichtung zu schaffen. In einem Fahrzeug – wie etwa
einem Automobil – kann
ein Verbrennungsmotor die Anririebskraft liefern, der außerdem für die Bewegung
des Fahrzeugs sorgt. Alternativ kann die Antriebskraft von einem durch
eine Batterie mit Strom versorgten Elektromotor oder eine andere
Vorrichtung geliefert werden, die in der Lage ist elektrische Energie
zu erzeugen.
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Ein
als Kompressor variabler Verdrängung bekannter
Typ von Kompressor kann geregelt werden, um variierende Beträge an Verdichtung
bereitzustellen. Die Verdichtung kann abhängig von der benötigten Kühlkapazität variiert
werden. Den Betrag der Verdichtung zu variieren variiert außerdem den Betrag
der Antriebskraft, die benötigt
wird um den Kompressor zu drehen. In einem nicht variablen Verdrängungskompressor
steht die Verdichtung fest.
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In
manchen Anwendungen kann der Verbrennungsmotor oder der Elektromotor
den Kompressor gezielt durchdrehen. In diesen Anwendungen ist die
von dem Elektromotor oder dem Verbrennungsmotor bereitgestellte
Antriebskraft ausreichend, um den Kompressor zu drehen. In anderen Anwendungen,
wo ein Kompressor variabler Verdrängung benutzt wird, kann der
Elektromotor in der Größe gewählt sein
um weniger als die notwendige Antriebskraf bereitzustellen um den
Kompressor variabler Verdrängung
zu drehen, wenn maximale Verdichtung gewünscht ist. In dieser Konfiguration
wird der Elektromotor nur aktiviert, wenn die benötigte Antriebkraft
unterhalb eines vorherbestimmten Schwellenwerts liegt, und ansonsten
liefert der Verbrennungsmotor die Antriebskraft. Auf den Start des
Elektromotors hin muß in
jeder der obigen Anwendungen ausreichend Antriebskraft durch den
Elektromotor bereitgestellt werden, um die Drehung des Kompressors
einzuleiten.
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Ein
bekanntes Problem mit Elektromotoren ist die Möglichkeit hoher Einschaltströme, wenn
der Verbrennungsmotor erstmals aus einem ausgeschalteten Zustand
mit Strom versorgt wird. Der Betrag an Einschaltstrom wird durch
den Betrag an Anfangsdrehmoment oder Antriebskraft beeinflußt, der/die benötigt wird
um die Drehung des Elektromotors einzuleiten. Hohe Einschaltströme erfordern,
daß der Elektromotor,
die den Elektromotor versorgenden Leitungen und ein den Elektromotor
ein- und ausschaltender Schalter in der Größe gewählt sind, um eine Beschädigung aufgrund
des Einschaltstroms zu vermeiden. Zusätzlich ist erforderlich, daß eine den Elektromotor
versorgende Energiequelle ausreichende Kapazität besitzt, um den hohen Einschaltstrom zu
liefern. Weiterhin kann der hohe Einschaltstrom die Dauer der Versorgung
durch eine Batterie oder eine ähnliche
Energiequelle verringern.
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EP-A-1
018 446 legt einen Hybridkompressor offen, der von einem Motor oder
einem Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Eine elektromagnetische
Kupplung greift ein, wenn die Drehgeschwindigkeit der Verdichtungseinheit
zu der Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors paßt, um während Inbetriebnahme
des Verbrennungsmotors oder Beschleunigung von Motorantrieb auf
Verbrennungsmotorantrieb umzuschalten.
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Offenlegung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche abgegrenzt,
und nichts in diesem Abschnitt sollte als eine Einschränkung dieser
Ansprüche
verstanden werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches durchlaufendes Luftkonditionierungssystem
bereitgestellt, in dem im Gebrauch ein Verbrennungsmotor einen Kompressor variabler
Verdrängung
innerhalb eines Klimaanlagensystems betreibt, wobei das elektrische
durchlaufendes Luftkonditionierungssystem umfaßt:
einen mit dem Kompressor
variabler Verdrängung gekoppelten
Elektromotor; und
einen elektrisch an den Kompressor variabler
Verdrängung
und den Elektromotor angeschlossenen Regler, worin der Regler betriebsfähig ist
um den Elektromotor zu aktivieren, um den fortwährenden Betrieb des Kompressors
beizubehalten, wenn der Verbrennungsmotor anhält;
dadurch gekennzeichnet,
daß das
System weiterhin einen elektrisch an den Regler angeschlossenen Verdrängungssensor
umfaßt,
der betriebsfähig
ist um die Belastung des Kompressors variabler Verdrängung zu
bestimmen; worin der Elektromotor nur durch den Regler aktiviert
wird, wenn der Verbrennungsmotor anhält und die Belastung innerhalb
eines vorherbestimmten Bereiches liegt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren des
Betriebs eines elektrischen durchlaufendes Luftkonditionierungssystems
bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
- i) koppeln eines Elektromotors an einen Kompressor
variabler Verdrängung;
- ii) elektrisches Anschließen
eines Reglers an den Kompressor variabler Verdrängung und den Elektromotor;
derart, daß der
Regler betriebsfähig
ist den Elektromotor zu aktivieren, um fortwährenden Betrieb des Kompressors
beizubehalten, wenn ein Verbrennungsmotor anhält; dadurch gekennzeichnet,
daß das
Verfahren weiterhin den Schritt umfaßt
- iii) den Regler elektrisch an einen Verdrängungssensor anzuschließen, wobei
der Regler die Belastung des Kompressors bestimmt, und worin der Elektromotor
durch den Regler nur aktiviert wird, wenn der Verbrennungsmotor
anhält
und die Belastung innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs liegt.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden unten in Verbindung mit
den bevorzugten Ausführungsformen
besprochen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
eines Teils eines Klimaanlagensystems.
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2 ist
ein erweitertes Blockdiagramm eines Teils des elektrischen Systems
für das
in 1 gezeigten Klimaanlagensystems.
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3 ist
ein Graph, der ein Synchronisierungsfenster für das in 1 gezeigte
Klimaanlagensystem veranschaulicht.
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4 ist
ein erster Teil eines Ablaufdiagramms, das den Betrieb des in 1 gezeigten
Klimaanlagensystems veranschaulicht.
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5 ist
ein zweiter Teil eines Ablaufdiagramms, das den Betrieb des in 1 gezeigten
Klimaanlagensystems veranschaulicht.
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6 ist
ein dritter Teil eines Ablaufdiagramms, das den Betrieb des in 1 gezeigten
Klimaanlagensystems veranschaulicht.
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Modi zur Ausführung der
Erfindung
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Es
werden Ausführungsformen
eines durchlaufendes Luftkonditionierungssystems offenbart, das
einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor einschließt. Der
Elektromotor und der Verbrennungsmotor werden gezielt aktiviert,
um eine Antriebskraft bereitzustellen, um den Betrieb eines Kompressors
beizubehalten. Der Elektromotor wird synchron in einer Art und Weise
mit Strom versorgt, die einen hohen Einschaltstrom vermeidet. Indem man
den Elektromotor aktiviert, um den Kompressor anzutreiben, während der
Verbrennungsmotor noch immer den Kompressor antreibt, wird der Betrieb
des Kompressors beibehalten. Den fortwährenden Betrieb des Kompressors
beizubehalten vermeidet die Erzeugung eines hohen Inbetriebnahmedrehmoments
durch den Elektromotor, und beseitigt dadurch einen hohen Einschaltstrom,
wenn der Elektromotor mit Strom versorgt wird.
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1 ist
eine Ausführungsform
eines Klimaanlagensystems 10, das einen Motor 12,
eine Kupplungs-Riemenscheibe 14, einen Kompressor 16,
einen Kondensor 18, einen Fluidbehälter 20, ein Ausdehnungsventil 22,
einen Verdampfer 24, einen Elektromotor 26 und
einen Regler 28 einschließt. Das Klimaanlagensystem 10 ist
nicht auf die Kühlung
von Luft beschränkt
und kann in jeglicher Funktion betrieben werden, in der eine Quelle
mit Kühlkapazität gewünscht ist.
In einer Ausführungsform
wird das Klimaanlagensystem 10 in einem Fahrzeug betrieben, wie
zum Beispiel etwa in einem Automobil.
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Der
Motor 12 kann ein Verbrennungsmotor, eine Dampfmaschine,
ein Strahltriebwerk, ein Elektromotor oder jegliche andere Vorrichtung
sein, die in der Lage ist irgendeine von verschiedenen Energieformen
in eine Antriebsenergie umzuwandeln. In einer Ausführungsform
ist der Motor 12 ein Verbrennungsmotor, der eine Motorwelle 30 antreibt
um die Antriebskraft bereitzustellen. Der Motor 12 dieser Ausführungsform
kann feststehend montiert sein, und arbeitet um eine Motor-Riemenscheibe 32 in wohlbekannter
Art und Weise zu drehen. Die Motor-Riemenscheibe 32 einer
Ausführungsform
ist durch einen Riemen 34 drehbar an die Kupplungs-Riemenscheibe 14 gekoppelt.
Der Riemen überträgt die Antriebskraft
auf die Kupplungs-Riemenscheibe 14.
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Die
Kupplungs-Riemenscheibe 14 kann jegliche Vorrichtung sein,
die in der Lage ist die von dem Motor 12 bereitgestellte
Antriebsenergie gezielt zu übertragen.
Eine beispielhafte Ausführungsform
der Kupplungs-Riemenscheibe 14 ist eine elektromagnetische
Kupplungs-Riemenscheibe.
Eine Ausführungsform
der Kupplungs-Riemenscheibe 14 arbeitet drehbar mit dem
Riemen 34 zusammen und ist regelbar, um die Antriebskraft
gezielt zu übertragen.
Die Kupplungs-Riemenscheibe 14 einer Ausführungsform
schließt
einen antreibenden Teil (nicht gezeigt) ein, der gezielt mit einem
angetriebenen Teil (nicht gezeigt) gekoppelt werden kann. Der antreibenden Teil
ist durch Riemen 34 drehbar, und ist zu einer von dem angetriebenen
Teil unabhängigen
Drehung in der Lage. Der angetriebene Teil ist fest mit dem Kompressor 16 gekoppelt.
Wird die Kupplungs-Riemenscheibe aktiviert, so dreht sich der angetriebene
Teil der Kupplungs-Riemenscheibe 14 mit dem antreibenden
Teil, und dreht dadurch den Kompressor 16.
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Der
Kompressor 16 kann jegliche Vorrichtung sein, die in der
Lage ist ein Arbeitsfluid innerhalb eines Klimaanlagensystems 10 zu
verdichten. In einer Ausführungsform
ist der Kompressor 16 fest montiert und schließt eine
Kompressorwelle 36 ein. Die Kompressorwelle 36 ist
drehbar und fest mit dem angetriebenen Teil der Kupplungs-Riemenscheibe 14 verbunden.
Während
des Betriebs beaufschlagt die Drehung der Kompressorwelle 36 ein
Arbeitsfluid – etwa
ein Kühlmittel
(nicht gezeigt) – mit
Druck.
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In
einer Ausführungsform
ist der Kompressor 16 ein Kompressor mit variabler Verdrängung 16.
Der Kompressor mit variabler Verdichtung 16 kann ein Kompressor
vom Taumelscheibentyp, ein Kompressor vom Schneckentyp oder jeglicher
anderer Typ von Kompressor sein, in dem die Verdrängung des Kompressors
variabel geregelt werden kann. Die Verdrängung bestimmt die von dem
Kompressor mit variabler Verdrängung 16 gelieferte
Druckbeaufschlagung oder Verdichtung. Wird eine höhere Druckbeaufschlagung
des Kühlmittels
gewünscht,
so kann die Verdrängung
angepaßt
werden um die Last zu steigern. Gesteigerte Belastung erfordert
einen höheren
Betrag an Drehmoment, um die Kompressorwelle 36 zu drehen.
Höhere
Druckbeaufschlagung des Kühlmittels
stellt zusätzliche
Kühlkapazität in dem
Klimaanlagensystem 10 bereit.
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Das
Kühlmittel
kann unter Verwendung einer Rohrleitung 38 durch den Kondenser 18,
den Behälter 20,
das Ausdehnungsventil 22 und den Verdampfer 24 zirkuliert
werden. Die Pfeile 40 veranschaulichen die Zirkulation
des Kühlmittels
durch einen Teil des Klimaanlagensystems 10. Der Kondenser 18, der
Behälter 20,
das Ausdehnungssystem 22 und der Verdampfer 24 arbeiten in
einer wohlbekannten Art und Weise, um Kühlung bereitzustellen wenn
der Kompressor 16 arbeitet. Wie in 1 veranschaulicht
strömt
das Kühlmittel
von dem Verdampfer 24 zu dem Elektromotor 26.
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Der
Elektromotor 26 kann jegliche Maschine sein, die in der
Lage ist eine Antriebskraft zu erzeugen, wenn sie durch eine elektrische
Stromquelle aktiviert wird. Eine Ausführungsform des Elektromotors 26 ist
ein bei 42 Volt Gleichstrom arbeitender Festdrehzahl-Gleichstrommotor.
In alternativen Ausführungsformen
kann der Elektromotor 26 zu Betrieb mit variabler Drehzahl
in der Lage sein. Die Fähigkeit
der variablen Drehzahl kann aus einer Regelung der Drehzahl des
Elektromotors 26 resultieren. Alternativ stellt Regelung
eines Drehzahl-Übersetzungsmechanismus – etwa einer
Flüssigkeitskupplung,
die arbeitet um die Antriebskraft aufzunehmen und zu übersetzen – die Fähigkeit
variabler Drehzahl bereit. Der Elektromotor 26 kann fest
montiert sein, oder in einer alternativen Ausführungsform können der
Kompressor 16 und der Elektromotor 26 fest verbunden
sein, um ein integriertes System Kompressor/Motor zu bilden. In
dieser Ausführungsform
können
der Kompressor 16 und der Elektromotor 26 durch
eine mit Gewinde versehene Verbindung, Schweißung, Muttern und Bolzen gekoppelt
werden, oder durch jeglichen anderen Mechanismus, der in der Lage
ist eine starre Verbindung bereitzustellen.
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In
einer Ausführungsform
schließt
der Elektromotor 26 eine Motorwelle (nicht gezeigt) ein,
die drehbar ist. Die Motorwelle kann fest mit der Kompressorwelle 36 verbunden
sein, um eine gemeinsame Antriebswelle für den Kompressor 16 und
den Elektromotor 26 zu schaffen. In alternativen Ausführungsformen
kann der Elektromotor 26 durch ein Riemen- und Riemenscheibensystem,
eines oder mehrere Zahnräder
oder jeglichen anderen Mechanismus, der dazu in der Lage ist eine
drehbare Kopplung bereitzustellen, drehbar an die Kompressorwelle 36 gekoppelt
sein.
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Die
in 1 veranschaulichte Rohrleitung 38 ist
durch Preßpassung,
mit Gewinde versehene Verbindung, oder einen anderen Kopplungsmechanismus
fest an den Elektromotor 26 gekoppelt. Innerhalb der Rohrleitung 38 strömt Kühlmittel
durch den Elektromotor 26 und in den Kompressor 16 hinein. Das
Kühlmittel
stellt Kühlung
der Innenbauteile des Elektromotors 26 bereit und minimiert
dadurch ein Aufheizen während
des Betriebs. Der Elektromotor 28 kann weniger Isolierung
und kleinere Bauteile einschließen
als ein vergleichbarer Elektromotor ohne Kühlung. Aufgrund der Kühlung kann
der Elektromotor 26 möglicherweise
eine ähnliche
oder verbesserte Leistung, Effizienz und Haltbarkeitscharakteristika beibehalten.
In einer Ausführungsform
schließt
der Elektromotor 26 außerdem
einen thermischen Überlastungsschutz
ein, um ihn während
des Betriebs gegen Überhitzung
zu schützen.
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Der
von dem Elektromotor 26 erzeugte Betrag an Antriebskraft
kann auf dem für
den Kompressor 16 benötigten
Betrag an Antriebskraft basieren. In der Ausführungsform, die den Kompressor
variabler Verdrängung 16 einschließt, kann
der Elektromotor 26 konstruiert sein um die über den
gesamten Betriebsbereich des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 benötigte Antriebskraft
zu erzeugen. Alternativ kann der Elektromotor 26 mit genug
Antriebskraft konstruiert sein, um die Kompressorwelle 36 nur dann
zu drehen, wenn der Kompressor mit variabler Verdrängung 16 innerhalb
eines vorherbestimmten Bereiches arbeitet. Zum Beispiel ist ein
Elektromotor 26 mit Nennleistung von 2 Kilowatt in der
Lage den Kompressor mit variabler Verdrängung 16 im Verdrängungs-Betriebsbereich
von 0 bis 2 Kilowatt anzutreiben. Der Elektromotor 26 ist
betriebsfähig
um eine Antriebskraft zu erzeugen, wenn er durch den Regler 28 mit
Strom versorgt wird.
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Der
Regler 28 ist betriebsfähig,
um den Gesamtbetrieb des Klimaanlagensystems 10 zu regeln. Der
Regler 28 kann ein Mikroprozessor, eine elektronische Regeleinheit,
eine Relais-Regeleinheit
oder jegliche andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist das Klimaanlagensystem 10 gezielt
zu betreiben. Der Regler 28 ist elektrisch an den Motor 12,
die Kupplungs-Riemenscheibe 14,
den Kompressor 16 und den Elektromotor 26 angeschlossen,
wie in 1 veranschaulicht. Während des Betriebs überwacht der
Regler 28 eine Mehrzahl von Eingaben und wirkt als die
Benutzerschnittstelle zum Betrieb des Klimaanlagensystems 10,
wie später
besprochen wird. Basierend auf dem Status der Eingaben ist der Regler 28 betriebsfähig, um
die Kupplungs-Riemenscheibe 14, den Kompressor 16 (wobei
der Kompressor 16 ein Kompressor mit variabler Verdrängung 16 ist)
und den Elektromotor 26 zu regeln. Betriebsfähige Regelung
durch den Regler 28 ist nicht auf das Klimaanlagensystem 10 beschränkt.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Teils eines Elektrosystems 50 für eine Ausführungsform
des Klimaanlagensystems 10. Das Elektrosystem 50 schließt den Regler 28,
die Kupplungs-Riemenscheibe 14, eine Benutzerschnittstellen-Schaltung 52,
einen Kompressor-Drehzahlsensor 54,
einen Temperatursensor 56, einen Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor 58,
einen Kompressor-Saugsensor 60, einen Kompressor-Entladungssensor 62,
einen Motor-Statussensor 64 und
eine Elektromotor-Schaltung 66 ein, die elektrisch wie
veranschaulicht angeschlossen sind. Die Elektromotor-Schaltung 66 schließt den Elektromotor 26,
eine Stromquelle 68, einen Motorschalter 70 und
einen Motor-Temperatursensor 72 ein. Zusätzlich können weniger
oder andere Bauteile eingeschlossen werden.
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Die
Benutzerschnittstellen-Schaltung 52 kann Schalter, Knöpfe, Drehschalter
und jegliche andere Mechanismen einschließen, die in der Lage sind elektrische
Signale zu dem Regler 28 bereitzustellen. Ein Benutzer
des Klimaanlagensystems 10 kann die zu dem Regler 28 bereitgestellten
Elektrosignale einleiten. zusätzlich
kann die Benutzerschnittstellen-Schaltung 52 Anzeigen,
Meßinstrumente
und andere auf elektrische Signale von dem Regler 28 reagierende
Informationen ein.
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Die
Sensoreingaben zu dem Regler 28 können benutzt werden um elektrische
Signale zu der Benutzerschnittstellen-Schaltung 52 bereitzustellen, ebenso
wie um den Betrieb des Klimaanlagensystems 10 zu regeln.
Der Kompressor-Drehzahlsensor 54 mißt die Drehzahl des Kompressors 16.
Der Temperatursensor 56 kann innerhalb des von dem Klimaanlagensystem 10 gekühlten Mediums
positioniert sein, zum Beispiel innerhalb des Fahrgastraums eines
Fahrzeugs. In alternativen Ausführungsformen kann
der Temperatursensor 56 innerhalb des Klimaanlagensystems 10 positioniert
sein. Der Kompressor-Saugsensor 60 und der Kompressor-Entladungssensor 62 können jeweils
nahe des Einlasses und des Auslasses des Kompressors 16 positioniert
sein, um dessen Leistung zu überwachen.
Der Motor-Statussensor 64 kann den Betriebsstatus des Motors
anzeigen.
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Wie
weiterhin in 2 veranschaulicht, ist der Elektromotor 26 elektrisch
an die Stromquelle 68, den Motorschalter 70 und
den Motor-Temperatursensor 72 angeschlossen. Zusätzlich sind
der Elektromotor 26, der Motorschalter 70 und
der Motor-Temperatursensor 72 wie veranschaulicht ebenfalls
elektrisch an den Regler 28 angeschlossen. Die Stromquelle 68 kann
eine Batterie, ein Kondensator, eine Brennstoffzelle oder jegliche
andere elektrische Energiequelle für den Elektromotor 26 sein.
Der Motorschalter 70 kann ein elektromagnetisches Relais,
ein federbelastetes Relais, ein Schalttransistor oder jeglicher
anderer Mechanismus sein, der in der Lage ist den Strom elektrischer
Energie zwischen dem Elektromotor 26 und der Stromquelle 68 zu
regeln. Der Motor-Temperatursensor 72 kann ein Thermoelement,
ein RTD oder jegliche andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist
eine Temperaturmessung bereitzustellen. Der Motor-Temperatursensor 72 kann
positioniert sein um die Temperatur des Elektromotors 26 zu überwachen.
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Unter
Bezug auf die 1 und 2 regelt
der Regler 28 nun in einer Ausführungsform das Klimaanlagensystem 10,
um den Motor 12 und den Elektromotor 26 zum Beispiel
gezielt in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) einzusetzen, das mit einer Start/Stop-Betriebsstrategie
arbeitet. Die Start/Stop-Betriebsstrategie arbeitet um den Motor 12 abzustellen,
wenn das Fahrzeug angehalten wird. Zum Beispiel kann der Motor 12 während Betriebsbedingungen
von dem Regler 28 abgeschaltet werden, wenn der Motor 12 sonst
im Leelauf arbeiten würde. Der
Motor 12 kann neu gestartet werden, wenn der Regler 28 eine
Anforderung empfängt
das Fahrzeug zu bewegen, wie zum Beispiel etwa durch Niederdrücken eines
Gaspedals. Start/Stop-Betriebsstrategien stellen
verbesserte Kraftstoffersparnis und reduzierte Emissionen bereit,
indem sie die Betriebsstunden des Motors 12 senken. Start/Stop-Betriebsstrategien sind
nicht auf Fahrzeuge beschränkt,
und können
angewandt werden wo immer ein Motor 12 arbeitet, um auf
einer vorübergehenden
Basis eine Antriebskraft bereitzustellen.
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In
Ausführungsformen,
welche die Start/Stop-Betriebsstrategie einschließen, regelt
der Regler 28 die Quelle der Antriebskraft für den Kompressor 16.
Wenn das Klimaanlagensystem 10 aktiviert ist und der Motor 12 arbeitet,
versorgt der Regler 28 die Kupplungs-Riemenscheibe 14 mit
Strom, um den Kompressor 16 zu drehen. Wenn der Motor 12 anhält, synchronisiert
der Regler 28 die Drehgeschwindigkeit des Kompressors unter
Verwendung des Synchronisierfensters mit der Drehzahl des Elektromotors 26.
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3 ist
ein Graph, der das Synchronisierfenster für eine Ausführungsform des Klimaanlagensystems 10 veranschaulicht.
Die Drehzahl (S) 72 des Kompressors 16 (1)
ist auf der Y-Achse gezeigt, und die X-Achse stellt die Zeit (t) 74 dar.
Wenn das Fahrzeug – oder
eine andere die Start/Stop-Betriebsstrategie verwendende Vorrichtung – zum Beispiel
an einer Ampel hält,
so wird der Motor 12 (1) abgeschaltet.
Hört der
Motor 12 auf zu drehen, so nimmt die Drehzahl von Kompressor 16 wie
in 3 veranschaulicht ab. Der Regler 28 kann
jedoch die Drehzahl des Kompressors 16 beibehalten. Die
Drehung des Kompressors 16 wird beibehalten, indem man den
Elektromotor 26 gezielt mit Strom versorgt.
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Der
Regler 28 kann den Elektromotor 26 mit Strom versorgen,
wenn die Drehzahl zwischen einer ersten Drehzahl (S1) 76 und
einer zweiten Drehzahl (S2) 78 liegt. Die ersten und zweiten
Drehzahlen 76, 78 bilden zusammen mit einer ersten
Zeit (T1) 80 und einer zweiten Zeit (T2) 82 ein
Synchronisierfenster 84. Das Synchronisierfenster 84 stellt
den Bereich der Drehzahl (S) des Kompressors 16 dar, der
innerhalb eines annehmbaren Bereichs der Drehzahl des Elektromotors 26 liegt.
In anderen Worten dann, wenn die Drehzahl des Kompressors 16 ausreichend mit
der Drehzahl des Elektromotors 26 synchronisiert ist.
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Zusätzlich stellt
die Zeit von der ersten Zeit (T1) 80 bis zu der zweiten
Zeit (T2) 82 einen Zeitrahmen bereit um den Elektromotor
mit Strom zu versorgen, um hohe Einschaltströme zu vermeiden. Der Regler 28 kann
die Fähigkeit
einschließen,
zu bestimmen ob die für
die Versorgung des Elektromotors 26 mit Strom benötigte Zeit
innerhalb des Zeitrahmens liegt. In anderen Worten kann der Regler 28 die benötigte Zeit
berechnen um den Elektromotor 26 mit Strom zu versorgen – und die Änderungsgeschwindigkeit
des Kompressors 16 – um
zu bestätigen
daß der
Elektromotor 26 innerhalb des Synchronisierfensters 84 aktiviert
werden kann. Ist die Versorgung mit Strom innerhalb des Synchronisierfensters 84 nicht
bestätigt,
so kann der Elektromotor nicht aktiviert werden.
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Die
Synchronisierfenster-Betriebsstrategie kann benutzt werden wo der
Elektromotor 26 ein Festdrehzahl-Motor ist. In einer alternativen
Ausführungsform
kann der Elektromotor 26 zum Betrieb mit variabler Drehzahl
in der Lage sein. In dieser Ausführungsform
kann die Drehzahl des Elrktromotors 26 angepaßt werden,
um das Synchronisierfenster 84 effizient zu verschieben.
Die Drehzahl des Kompressors 16 kann in das verschobene
Synchronisierfenster 84 fallen, und dadurch die Drehzahl
des Kompressors 16 und die Drehzahl des Elektromotors 26 ausreichend
synchronisieren. Anpassung der Drehzahl kann vor Versorgung des
Elektromotors 26 mit Strom erfolgen, um auf Versorgung
mit Strom hin eine Drehzahl innerhalb eines annehmbaren Drehzahlbereichs des
Kompressors 16 zu erreichen.
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Unter
erneutem Bezug auf 1 und 2 kann der
Regler, zusätzlich
zur Versorgung des Elektromotors 26 mit Strom, außerdem die Stromversorgung
der Kupplungs-Riemenscheibe 14 unterbrechen, und dadurch
den Motor 12 von dem Kompressor 16 lösen. Der
Regler 28 regelt die Aktivierung des Elektromotors 26 und
das Trennen der Stromversorgung von Kupplungs-Riemenscheibe 14, um die Drehung
des Kompressors 16 beizubehalten, während der Motor 12 aufhört zu drehen.
Weil der Elektromotor 26 mit Strom versorgt werden kann, während der
Kompressor 16 noch immer dreht, zieht der Elektromotor 26 Vorteil
aus dem Drehimpuls des drehenden Kompressors 16. Auf diese
Weise wird der Elektromotor 26 nicht benötigt, um
das relativ hohe Inbetriebnahme-Drehmoment zu liefern, das ansonsten
nötig wäre um den
Kompressor 16 aus einem angehaltenen Zustand zu starten.
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Weil
der Elektromotor 26 nicht dem hohen Inbetriebnahme-Drehmoment
ausgesetzt ist, bleibt der Einschaltstrom des Elektromotors 26 relativ
niedrig. Mit relativ niedrigem Einschaltstrom können die Wicklungen des Elektromotors 26,
der Motorschalter 70 und die verbindenden Leitungen mit
geringerer stromführender
Fähigkeit
konstruiert werden. Zusätzlich
wird die Lebensdauer der Stromquelle 68 aufgrund des insgesamt
geringeren Leistungsbedarfs des Elektromotors 26 verbessert.
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In
einer Ausführungsform
umfaßt
der Kompressor 16 einen Kompressor variabler Verdrängung 16.
In dieser Ausführungsform
erzeugt der Elektromotor 26 nur genug Antriebskraft um
die Kompressorwelle 36 zu drehen, wenn der Kompressor mit
variabler Verdrängung 16 leicht
belastet ist. Die Belastung des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 kann
auf Grundlage eines Verdrängungssensors
bestimmt werden. Der Verdrängungssensor
kann, den Betrag der Verdrängung
des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 messen. Alternativ
kann der Verdrängungssensor
der Temperatursensor 56, der Kompressor-Saug- und -Entladungssensor 60, 62 oder
ein anderes ähnliches
System sein, das benutzt werden kann um die Belastung des Kompressors
mit variabler Verdrängung 16 zu
bestimmen. Der Regler 28 kann den Verdrängungssensor überwachen.
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Der
Elektromotor 26 dieser Ausführungsform wird nur mit Strom
versorgt, wenn die Belastung des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 innerhalb eines
vorherbestimmten Bereichs liegt und die Drehzahl (S) 72 (3)
innerhalb des Synchronisierfensters 84 (3)
liegt. Weiterhin kann die Belastung des Kompressors mit variabler
Verdrängung 16 innerhalb
des vorherbestimmten Bereichs beibehalten werden, wenn der Elektromotor 26 einmal
arbeitet. Alternativ kann die Stromversorgung zu dem Elektromotor 26 unterbrochen
werden, wenn die Belastung auf den Kompressor mit variabler Verdrängung 16 aus
dem vorherbestimmten Rahmen läuft.
In noch einer anderen Alternative kann der Betrieb des Elektromotors 26 auf
einem vorherbestimmten Schwellenwert der Last basieren, anstatt
auf einem vorherbestimmten Bereich wie zuvor besprochen.
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In
einer Ausführungsform
kann der Regler 28 die Belastung des Kompressors mit variabler
Verdrängung 16 regeln.
In alternativen Ausführungsformen
kann die Belastung des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 durch
ein Relais, einen Temperaturregler oder jegliche andere Vorrichtung
verrichtet werden, die in der Lage ist ein variables Signal zu dem
Kompressor mit variabler Verdrängung 16 bereitzustellen.
Regelung der Belastung, oder der Verdrängung, des Kompressors mit
variabler Verdrängung 16 kann
auf einem Belastungsparameter basieren. Der Belastungsparameter
kann zum Beispiel ein elektrisches Signal von der Benutzerschnittstellen-Schaltung 52,
dem Temperatursensor 56 oder jeglicher) anderer) Parameter,
die in Klimaanlagensystem 10 verfügbar sind. In einer alternativen
Ausführungsform
bestimmt der Regler 28 den Lastparameter auf Grundlage
einer logischen Analyse einer Mehrzahl von zu dem Regler 28 bereitgestellten
Eingaben; wie zum Beispiel etwa Motordrehzahl, Kühlforderung und/oder andere
Parameter.
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Der
Regler 28 einer Ausführungsform
kann außerdem
den Elektromotor 26 schützen.
Der Schutz des Elektromotors 26 kann auf einem thermischen Überlastungsschutz
basieren. Der Regler 28 überwacht den Motor-Temperatursensor 72. Übersteigt die
Temperatur des Elektromotors 26 einen vorherbestimmten
Wert, so kann der Regler 28 den Elektromotor 26 deaktivieren.
Zusätzlich
kann der Regler 28 dort, wo der Kompressor 16 den
Kompressor mit variabler Verdrängung 16 umfaßt, die
Verdrängung
des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 anpassen,
um zusätzliche
Kühlung
zu dem Elektromotor 26 bereitzustellen. In alternativen
Ausführungsformen kann
der Regler 28 außerdem
andere Schutzfunktionen verrichten, wie zum Beispiel Überwachung
der Stromquelle 68 auf Bedingungen geringer Leistung.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
verrichtet der Regler 28 eine ähnliche Synchronisierung von
Motor 12 mit dem Elektromotor 26. In dieser Ausführungsform
schaltet der Regler 28 von der durch den Elektromotor 26 gelieferten
Antriebskraft zu der von Motor 12 gelieferten Antriebskraft
um. Der Regler 28 dieser Ausführungsform überwacht den Motor-Statussensor 64 auf
Betrieb des Motors 12. Beginnt der Motor 12 mit
dem Betrieb, so wird die Drehgeschwindigkeit der Kupplungs-Riemenscheibe 14 und
die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 16 durch den Regler 28 überwacht.
Das Synchronisierfenster 84 (3) wird
benutzt, um zu bestimmen wann die Umschaltung erreicht werden kann.
Der Regler 28 regelt die Zeiteinstellung der Abschaltung des
Elektromotors 26 und des synchronen Eingriffs von Kompressor 16 mit
Motor 12 ähnlich
zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
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Das
Klimaanlagensystem 10 einer Ausführungsform schließt den Kompressor 16 ein,
der einen Kompressor variabler Verdrängung 16 und einen Elektromotor 26 einschließt, der
zum Betrieb mit variabler Drehzahl in der Lage ist. Der Regler 28 dieser Ausführungsform
schließt
mindestens eine Wirkungsgradkarte (nicht gezeigt) für den Kompressor mit
variabler Verdrängung 16 ein.
In alternativen Ausführungsformen
kann die Wirkungsgradkarte in einer separaten Vorrichtung eingeschlossen
sein, zum Beispiel einer Speichervorrichtung in Verbindung mit dem
Regler 28.
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Die
Wirkungsgradkarte kann benutzt werden um den Wirkungsgrad des Klimaanlagensystems 10 zu
maximieren, wenn der Elektromotor 26 den Kompressor variabler
Verdrängung 16 antreibt.
Die Wirkungsgradkarte kann eine Reihe von Wirkungsgradkurven für den Kompressor
mit variabler Verdrängung 16 darstellen.
Die Wirkungsgradkurven können durch
Testung auf Grundlage der Verdrängung, Drehzahl
und Belastung des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 entwickelt
werden. Die Belastung (d.h. die Drehmomentforderung) des Kompressors
mit variabler Verdrängung 16 ist
eine Funktion der benötigten
Kühlkapazität. Die Drehzahl
und die Verdrängung
kann zusammen variiert werden, um eine gewünschte Belastung zu erzielen.
Zum Beispiel kann die gleiche Belastung mit einer relativ geringen
Drehzahl und relativ hoher Verdrängung
ebenso erreicht werden wie mit einer relativ hohen Drehzahl und
relativ geringer Verdrängung.
Dergestalt kann die optimale Drehzahl und Verdrängung zur Erreichung einer
gewünschten
Belastung auf Maximierung des Wirkungsgrads basieren.
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Optimaler
Wirkungsgrad kann auf dem Stromverbrauch des Elektromotors 26,
dem effizienten Betrieb des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 oder
einer Kombination aus beidem basieren. In alternativen Ausführungsformen
können
zusätzliche,
mit dem Wirkungsgrad in Zusammenhang stehende Überlegungen innerhalb des Klimaanlagensystems 10 außerdem in
der Bestimmung des optimalen Wirkungsgrades eingeschlossen sein.
Indem man sowohl die Drehzahl und die Verdrängung des Kompressors variabler
Verdrängung 16 variiert, kann
für jede
gegebene Last mindestens ein optimaler Wirkungsgradpunkt identifiziert
werden. Ein optimaler Wirkungsgradpunkt ist eine Betriebssituation, in
der die gewünschte
Belastung erreicht wird und das Klimaanlagensystem 10 bei
optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
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Während des
Betriebs wird die Wirkungsgradkarte auf Versorgung des Elektromotors 26 mit Strom
hin benutzt, um die Drehzahl des Elektromotors 26 und die
Verdrängung
des Kompressors mit variabler Verdrängung 16 anzupassen.
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Wie
wie in den zuvor besprochenen Ausführungsformen wird der Elektromotor 26 synchron
mit Strom versorgt, um die Drehung des Kompressors mit variabler
Verdrängung 16 beizubehalten.
Ist der Elektromotor 26 in der Größe gewählt, um den Kompressor mit
variabler Verdrängung 16 in
einem vorherbestimmten Betriebsbereich zu betreiben, so kann die
Wirkungsgradkarte benutzt werden um die Effizienz innerhalb dieses
vorherbestimmten Bereichs zu optimieren. 4 ist ein
Blockdiagramm, das den Betrieb einer Ausführungsform des Klimaanlagensystems 10 veranschaulicht.
Der nun beschriebene Betrieb schließt den Bezug auf das zuvor
unter Bezug auf 1, 2 und 3 besprochene Klimaanlagensystem 10 ein.
Der Betrieb wird unter Bezug aus einen Kompressor variabler Verdrängung 16 besprochen;
mit geringfügiger
Modifizierung des Betriebs könnte
jedoch alternativ ein nicht variabler Kompressor benutzt werden.
Weiterhin stellt der im Betrieb besprochene Elektromotor 26 eine
Antriebskraft bereit, die den Kompressor variabler Verdrängung 16 unter
voller Last nicht betreiben kann; ein Elektromotor mit Fähigkeit
der Vollast-Antriebskraft könnte
mit geringfügigen
Modifizierungen des beschriebenen Betriebs benutzt werden.
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Betrieb
des Klimaanlagensystems 10 beginnt bei Block 90,
wenn ein Benutzer das System aktiviert. Bei Block 92 bestimmt
der Regler 28, ob der Motor 12 unter Gebrauch
des Motor-Statussensors 64 arbeitet.
Arbeitet der Motor 12 nicht, so überwacht der Regler 28 fortwährend den
Motor 12 auf Beginn des Betriebs. Wenn – oder wenn einmal – der Motor 12 arbeitet,
so versorgt der Regler 28 die Kupplungs-Riemenscheibe 14 bei
Block 94 mit Strom. Versorgung der Kupplungs-Riemenscheibe 14 mit
Strom überträgt die Antriebskraft
von dem Motor 12 zu dem Kompressor variabler Verdrängung 16.
Bei Block 96 wird der Lastparameter benutzt, um die Verdrängung des
Kompressors mit variabler Verdrängung 16 zu
regeln.
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Bei
Block 98 überwacht
der Regler 28 die Drehzahl des Kompressors mit variabler
Verdrängung 16 und
die Fahrzeuggeschwindigkeit jeweils unter Verwendung des Kompressor-Drehzahlsensors 54 und
des Fahrzeug-Geschwindigkeitssensors 58. Auf Grundlage
der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Drehzahl des Kompressors variabler
Verdrängung 16 trifft
der Regler 28 bei Block 100 eine anfängliche
Synchronisierungsentscheidung. Die anfängliche Synchronisierungsentscheidung
basiert auf einer Bestimmung, daß das Fahrzeug hält, und
daß der
Motor 12 sich im Abschaltprozeß befindet; wie zum Beispiel
in einer Start/Stop-Betriebsstrategie.
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Ist
die Synchronisierungsentscheidung einmal eingeleitet, so wird bei
Block 102 der Lastbetrag auf den Kompressor variabler Verdrängung 16 unter Verwendung
des Verdrängungssensors
bestimmt. Ist die Belastung (d.h, die Drehmomentforderung) für den Elektromotor 26 zu
hoch, so bleibt der Kompressor mit variabler Verdrängung 16 bei
Block 104 drehend mit dem Motor 12 gekoppelt. Übersteigt
die Belastung nicht die von dem Elektromotor 26 verfügbare Antriebskraft,
so wird die Drehgeschwindigkeit des Kompressors variabler Verdrängung 16 bei
Block 106 überwacht.
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Liegt
die Drehzahl nicht innerhalb des Synchronisierfensters 84,
so bleibt der Kompressor mit variabler Verdrängung 16 bei Block 108 drehend
mit dem Motor 12 gekoppelt. Wo der Elektromotor 26 die Fähigkeit
variabler Drehzahl einschließt,
kann die Drehzahl des Elektromotors 26 angepaßt werden, um
das Synchronisierfenster 84 zu bewegen. Liegt die Drehzahl
des Kompressors variabler Verdrängung 16 innerhalb
des Synchronisierfensters 84, so wird Elektromotor 26 bei
Block 110 mit Strom versorgt. Bei Block 112 wird
die Kupplungs-Riemenscheibe 14 deaktiviert,
so daß der
Kompressor mit variabler Verdrängung 16 drehend
mit dem Elektromotor 26 gekoppelt ist. Bei Block 114 werden
die Drehzahl und Verdrängung
auf Grundlage der Last angepaßt,
um den Wirkungsgrad zu optimieren.
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Wird
dem Fahrzeug oder Motor 12 befohlen zu starten oder sich
zu bewegen, so tastet Regler 28 bei Block 116 ab
daß der
Motor 12 arbeitet. Bei Block 118 überwacht
der Regler 28 die Drehgeschwindigkeit der Kupplungs-Riemenscheibe 14 und
den Kompressor variabler Verdrängung 16,
um zu bestimmen ob die Kupplungs-Riemenscheibe sich innerhalb des Synchronisierfensters 84 befindet.
Liegt die Drehzahl innerhalb des Synchronisierfensters 84,
so nimmt der Regler 28 bei Block 120 den Elektromotor 26 von
der Stromversorgung. Bei Block 122 wird die Kupplungs-Riemenscheibe 14 aktiviert,
und dadurch der Kompressor variabler Verdrängung 16 drehend mit dem
Motor 12 gekoppelt. Den Elektromotor 26 von der
Stromversorgung zu nehmen und Aktivierung der Kupplungs-Riemenscheibe 14 kann
auftreten, während
der Kompressor variabler Verdrängung 16 fortfährt sich
zu drehen.
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Die
Ausführungsformen
des hierin beschriebenen Klimaanlagensystems 10 stellen
eine preisgünstige,
haltbare Lösung
bereit, die unter Verwendung des Motors 12 und des Elektromotors 26 gezielt kalte
Temperaturen beibehält.
Durch gemeinsamen Betrieb des Motors 12 und des Elektromotors 26 kann
der Elektromotor 26 wegen Minimierung des Einschaltstroms
mit einem wesentlich geringeren Bereich von Leistungsanforderungen
betrieben werden als herkömmliche
Elektromotoren. Zusätzlich
verringert die Kühlung
des Elektromotors 26 mit dem Kühlmittel die Notwendigkeit
für mit
der Temperatur in Zusammenhang stehende Konstruktionsüberlegungen der
Innenbauteile des Elektromotors 26. Als solches können der
Elektromotor 26 und die zugehörige Schaltung vorteilhaft
mit Bauteilen geringerer Stromführungskapazität konfiguriert
werden, die möglicherweise
leichter sind und weniger teuer sind, während sie eine Betriebsleistung
erreichen die möglicherweise
gleich oder besser ist als die herkömmlicher Elektromotoren.
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Während die
Erfindung oben unter Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurde,
wird klar sein daß viele
Veränderungen
und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung
abzuweichen. Zum Beispiel kann das Klimaanlagensystem 10 in
Anwendungen wie Kühlvorrichtungen,
Flugzeugen, Zügen, Gebäuden oder
jeglichen anderen Zwecken benutzt werden, wo unterstützte Kühlung mit
alternativen Antriebskraftquellen gewünscht ist. Es ist daher beabsichtigt,
daß die
vorstehende genaue Beschreibung als eine Veranschaulichung der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung verstanden wird, und nicht als Definition der Erfindung.
Es sind lediglich die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente,
die beabsichtigt sind den Rahmen dieser Erfindung zu definieren.