EP1778977A1 - Axialkolbenverdichter - Google Patents

Axialkolbenverdichter

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Publication number
EP1778977A1
EP1778977A1 EP05771046A EP05771046A EP1778977A1 EP 1778977 A1 EP1778977 A1 EP 1778977A1 EP 05771046 A EP05771046 A EP 05771046A EP 05771046 A EP05771046 A EP 05771046A EP 1778977 A1 EP1778977 A1 EP 1778977A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
compressor according
swash plate
angle
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05771046A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Otfried Schwarzkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Compressor Europe GmbH
Original Assignee
Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Compressor Europe GmbH filed Critical Valeo Compressor Europe GmbH
Publication of EP1778977A1 publication Critical patent/EP1778977A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/10—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F04B27/1036—Component parts, details, e.g. sealings, lubrication
    • F04B27/1054—Actuating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/14—Control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/14—Control
    • F04B27/16—Control of pumps with stationary cylinders

Definitions

  • the invention relates to an axial piston compressor, in particular a compressor for the air conditioning system of a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the momentum (referred to in the expanded text as M sw ) usually acts as a result of the rotating masses; Only in the area of very small tilt angles can an adjusting moment be generated, for example, by an exposed center of gravity position (Steiner component in the calculation of the moment of deviation J yz ) in the swash plate (see DE 195 14 748 C2). Even in the area of small tilt angles, the proportion of the deviation moment J without stone fraction prevails, and the swashplate has an increasingly declining tilting moment as the tilt angle increases.
  • EP 0 809 027 A1 Another engine is known from EP 0 809 027 A1, which is characterized in that the delivery rate of the compressor is compensated by the dynamic behavior of the engine of the compressor, so that the delivery rate can be kept constant. Specifically, it says there as follows: "For a constant control of the flow rate at varying rotational speeds, the restoring torque of the Tau ⁇ melusion can be exploited, which counteracts their inclination due to dynamic forces on the co-rotating disc part.”
  • the desired control behavior of the compressor is primarily not achieved with the component mass of the swashplate in relation to the translationally moved masses, but taking into account the mass moment of inertia of the unit "swash plate", which depends more on its geometry than on the component mass Speed variations or speed changes to compensate for the moment due to translationally moving masses directly by the moment due to rotating masses, or even overcompensate.
  • the delivery volume is directly proportional to the speed, ie doubles the speed, so doubles the volume.
  • the tilting moment of the swash plate which is triggered by the relevant moment of deviation, the following equation applies:
  • the object of the invention is to admit a compressor with optimized control behavior in which a full load state is avoided at high and highest compressor speeds.
  • An essential aspect of the invention is therefore that the tilting behavior of the swash plate is so automatically limiting effect that at high speeds of the compressor, especially at very high speeds or the maximum speed of the compressor, the angle of maximum deflection of the swash plate is smaller than that Angle of maximum deflection ⁇ max at low speeds of the compressor.
  • the compressor operates at high speeds, in particular at its maximum speed, with an excessive delivery volume. Since this measure engages regulating in the delivery volume, the number of required control operations is reduced (usually swash plate compressors are controlled by a pressure difference between a prevailing in the engine room of the compressor pressure and a pressure prevailing at the compressor outlet side pressure, this pressure difference the piston stroke and thus the delivery volume of the compressor determines).
  • a compressor according to the invention is designed such that both the geometry and the dimensioning of all translationally moving parts of the compressor and all rotationally moving parts are such that for predetermined tilt angle of the swash plate, in particular between a predetermined minimum tilt angle and a predetermined maximum tilt angle the moment M k _ ges as a result of the translationally moving masses is chosen to be smaller than the moment M sw due to the Deviationsmoments, ie is chosen smaller than the torque due to the Mas ⁇ inertia of the swash plate, that at high speeds of the compressor, especially at very high speeds or a maximum speed, the angle of maximum Aus ⁇ steering of the swash plate is smaller than the angle of maximum deflection at smaller ren speeds of the compressor.
  • the translationally moving parts of the compressor include the piston, possibly also the piston rods and sliding blocks or the like.
  • the rotationally moving parts are essentially the swash plate, and possibly one or more drivers to count.
  • it is an embodiment of a compressor according to the invention that is structurally simple to implement and thus inexpensive to produce.
  • the advantages already explained above, in particular the advantage of a small number of control actions, which become necessary during operation of a compressor according to the invention, are fully valid for the prevailing preferred embodiment.
  • He inventive compressor may comprise at least one device which exerts a force on the swash plate.
  • Said device is preferably assigned to the same in addition to a device for adjusting or for controlling the engine room pressure of the compressor.
  • This device or these devices may or may act alone as the automatically limiting member of the swash plate, but it may also be arranged in a compressor, in which already the mass distributions or the torque distribution of the swash plate Abregein same at high speeds causes. In this case, an already existing due to the geometry of the swashplate mechanism tendency of the compressor to be depressed at high speed, supported or amplified.
  • the at least one device for exerting the actuating force optionally comprises an elastic element, which may be present in particular in the form of a return spring, and / or an actuator or an actuating piston.
  • a compressor according to the invention may comprise a centrifugal force-dependent actuator and / or a further spring.
  • the at least one device for exercising the actuating force comprises a throttle point, whose cross-section can be varied by means of an actuator, in particular by means of an actuating piston.
  • the throttle point may be arranged in particular on the suction or pressure side of the compressor. If the throttle point is arranged on the suction side of the compressor, the density of the suction gas can thereby be regulated or lowered as desired.
  • a thrust in the engine of the compressor prevailing pressure and / or the prevailing at the outlet side of the compressor pressure is to be preferred.
  • These manipulated variables are easily accessible.
  • the actuator is controlled or controlled internally, in particular via a magnetic coil or the like device.
  • a constant cross section of the throttle is conceivable.
  • the center of gravity of the swash plate is on the tilting axis thereof.
  • the tilting axis of the swashplate in turn, preferably lies on the central axis of the drive shaft.
  • the swivel disk is annular, i. designed as a swivel ring. This ensures an optimum relationship between the mass of the swash plate (which is low) or the swivel ring and its or their mass moment of inertia (which is high).
  • the angle of maximum deflection of the swash plate in the range of small and medium speeds of the compressor corresponds to an angle oc max
  • the angle of maximum deflection at the maximum speed of the compressor corresponds approximately to an angle of ⁇ max / 2.
  • Areas of low and medium speed extend in the parlance of the present application to about half the maximum speed of the compressor. In compressors of modern design, which reach a maximum speed of about 8000 to 10,000 revolutions per minute, thus extending a range of low and medium speeds up to about 4000 revolutions per minute, it being understood that the above figuress ⁇ of course are to be regarded as exemplary only.
  • the swash plate of a compressor according to the invention is preferably for speeds from about 4000 to 5000 revolutions per minute no longer up to one or the angle cx max ver pivoted.
  • an optimal load limitation is guaranteed, which has advantageous effects especially under the safety aspect.
  • Both a risk of icing and the risk of bursting of the compressor housing is significantly reduced compared to compressors according to the prior art.
  • the limitation of the pivot angle for increasing rotational speeds of the compressor becomes stronger. Also for this imple mentation form, the advantages arise, in particular when considering the safety aspect, analogous to the foregoing.
  • the ratio of deviation moment in z-direction and total mass of all translationally movable parts J z / m k _ ges is in a further preferred embodiment at least about 2000 mm 2 , even more advantageous is a value of more than 3000 mm 2 . Due to the large ratio between Deviationsmoment and total mass of the translationally movable parts, the desired control characteristic is achieved in a simple manner.
  • a "suitable" spring constant should be chosen (this determines the slope of the control characteristic.)
  • a return spring which exerts a restoring force on the deflected swivel disk, has a spring constant It is even more advantageous to use return springs having a spring constant of less than 30 N / mm, of course, the moments of the translationally and rotationally moving parts are respectively adapted accordingly springs with such spring constants are available inexpensively, require a small installation space and are also low-wear.
  • the swashplate has a minimum and maximum stop defined directly or indirectly (via the sliding sleeve).
  • the maximum stop is not reached at high speeds and is fixed in the embodiments described above, and can not be regulated.
  • a compressor according to the invention has a speed-dependent stop, which limits the angle of maximum deflection of the swash plate as a function of the compressor speed.
  • This speed-dependent stop serves as a further measure to ensure that at high speeds, the angle of maximum deflection of the swash plate is lower than pay at low Dreh ⁇ . It is conceivable in this case, for example, a paragraph on the drive shaft, which prevents pivoting beyond a predetermined angle.
  • another construction for example, has a displaceably mounted on the drive shaft sleeve or the like., would be conceivable.
  • the control of the stop can for example be done via the (speed-dependent) centrifugal force.
  • Fig. 1 is a sketch of a pivot ring of a compressor according to the invention
  • FIG. 2 shows a sketch of a swivel disk for explaining the coordinate system used in the present application
  • FIG. 3-7 diagrams showing the control characteristics of two embodiments of a compressor according to the invention as a function of various parameters such as speed, suction pressure, compression pressure and spring constant a remindstell ⁇ feather;
  • Fig. 8 is a diagram illustrating the control characteristics of a compressor according to the invention as a function of other (additional) parameters.
  • the tilting moment of schwenkba ⁇ ren share the swash plate means can then be expressed in simplified form by equations that are relevant for an annular swash plate component.
  • J yz Ji cos 2 COSCt 3 - J 2 cosß 2 cosß 3 - J 3 cos ⁇ 2 cos ⁇ 3
  • Direction angle of the z-axis ⁇ 3 ⁇ with respect to the main axes of inertia ⁇ , ⁇ , ⁇
  • J should have a certain size; J y2 T> - J 3 TJ 2 inevitably increases.
  • I 7Z -Ji cos ⁇ sin ⁇ + J 3 cos ⁇ sin ⁇
  • the (tilt) moment of the swivel ring can be deliberately adjusted by various parameters (geometry, density distribution, mass, center of mass) as a result of the associated deviation moment
  • M sw should be significantly larger than M k .
  • Piston including sliding block (pair) mass of all pistons including sliding blocks m sw mass of swivel ring r a outer radius of swivel ring t ⁇ inner radius of swivel ring h height of swivel ring g density of swivel ring
  • the center of gravity position should largely have no influence. That When calculating the governing moment of deviation, the proportion of Steiner to be considered for the center of gravity is essentially
  • the ratio J y / m k tot or J 2 / m k makes sense, regardless of the refrigerant (which may be, for example, CO 2 , Rl 34a, Rl 52a, etc.), the moment ratio
  • the preferred point from guide forming a compressor according to the invention a ratio J j k _ ./m tot of more than 1000 mm 2 or more than 1500 mm 2, while the ratio J 2 / m k ges in both cases, well over 2000 mm 2 , in the second preferred embodiment, even in about 3000 mm 2 .
  • control characteristic curves for the rotational speed 8000 rpm for the three different operating points intersect the x axis (on which the tilting angle of the swash plate or the geometric stroke volume of the compressor is plotted) at approximately half the maximum tilt angle, which in the present preferred embodiment is about 20 °.
  • the intersection with the x-axis can be constructively set, the other operating points include smaller deviations thereof, with control characteristics of the same speed and different operating points are shifted approximately parallel to each other.
  • the information on the geometry of the swash plate, which has a control characteristic, as shown in Fig. 6, can be found in Table 2 above.
  • FIG. 7 shows, analogously to FIG. 3, the known three operating points at a rotational speed of 1000 rpm and 8000 rpm. Desired for a compressor in about an arrangement of the control characteristics according to Figures 3 and 7 with the specified inertia of the swash plates according to Table 1 and Table 2.
  • the Regelkenn ⁇ lines from the diagram of Fig. 3 show in comparison to the control characteristics
  • FIG. 7 shows the desired effect in a comparatively weaker form, whereas the effect in the control characteristics according to FIG. 7 is more pronounced.
  • the control characteristics for high speeds have an intersection with the x-axis, which means that the angle of maximum Aus ⁇ steering for high speeds is less than the angle of maximum deflection for nied ⁇ rige speeds.
  • control characteristics for speeds have such an intersection above about 4000 U / min, ie reduce the angle of maximum deflection of the swash plate.
  • stroke volume it is desirable to limit the stroke volume to about 50% or less, with high speeds as noted above being about 8000 rpm in modern compressors.
  • the Abregein of the compressor would also be achievable by a control intervention, which in addition to the temporal inertia, which includes the control intervention, also ener ⁇ Tische losses play a major role here.
  • the compressor operation initially (at least until the regulation corrected this again and the stroke volume is reduced) requires a very high torque, which is of course extremely undesirable, in particular during overtaking of the vehicle.
  • the safety is increased in a compressor according to the invention, since disturbances of the control valve, for example, by contamination, blocking of the valve seat, icing or the like impair or hinder a control intervention.
  • a strong increase in pressure, especially in high-pressure refrigerants such as CO 2 is very easily a security risk in such a case. Therefore, it makes sense to make at high speed larger tilt angle of the swash plate not reachable.
  • Figures 3, 4, 5, 6 and 7, which relate to compressors in which the high-pressure refrigerant CO 2 is used, qualitativelys ⁇ course also for other refrigerants, such as R134a, R152a etc ., can be used. Only the y-axis of the diagrams would have to be adjusted with respect to the indicated pressures.
  • the desired control characteristic (with points of intersection of the corresponding curves with the x-axis) is achieved essentially by a suitable selection of M sw and M k .
  • the fine adjustment of the desired Regel ⁇ characteristic can also be done by other means, such as a suitable selection of the spring constant of the return spring.
  • Fig. 8 in which the interaction between the tilt angle of the swivel or swash plate and the pressure in the engine room or the differential pressure between the engine and the suction chamber is shown as a function of various parameters.
  • Fig. 8 can be the
  • a steeper control characteristic can be achieved.
  • a throttling on the suction side for example by means of a variable or even fixed cross section, results in a curve shifted parallel to lower pressures compared to the control characteristic without additional actuating force.
  • An analogue control characteristic results when the return spring is preloaded.
  • the desired control characteristic with intersections of the corresponding curve with the X-axis at the desired location can be generated in a simple manner, the variety of possibilities a wide range of control (depending on the application of the compressor) allows.
  • one or more measures can be combined and thus any desired control characteristics can be achieved.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

Axialkolbenverdichter, insbesondere Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle drehende Schwenkscheibe (Schräg-, Taumelscheibe oder Schwenkring) umfasst, wobei die Schwenkscheibe derart ausgebildet oder gelagert ist, dass ihr Kippverhalten derart selbsttätig limitierend wirksam ist, dass bei hohen Drehzahlen des Verdichters, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen oder der maximalen Drehzahl, der Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe kleiner ist als der Winkel maximaler Auslenkung αmax bei niedrigen Drehzahlen des Verdichters.

Description

"Axialkolbenverdichter"
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der DE 195 14 748 C2 werden die an einer Schwenkscheibe grundsätzlich bei allen nach dem Stand der Technik existierenden Verdichtern, sowie den in der Serie einge¬ führten Verdichtern, wirksamen Kippmomente erläutert, die maßgeblich zum Kippver¬ halten der Schwenkscheibe beitragen. Die Einflußgrößen, die als Momente um das Kipp- Zentrum einer Schwenkscheibe wirken, sind im einzelnen folgende Momente, wobei in Klammern jeweils die Richtung der Momente angegeben ist und (-) abregelnd (in Rich¬ tung eines Minimalhubs) und (+) aufregelnd (in Richtung des Maximalhubs) bedeuten:
Moment infolge der Gaskräfte in den Zylinderräumen (+) - Moment infolge der Gaskräfte aus dem Triebwerksraum (-)
Moment infolge einer Rückstellfeder (-) (Richtung Minimalhub) Moment infolge einer Aufstellfeder (+) (Richtung Maximalhub) Moment infolge rotierender Massen (-); inklusive Moment infolge Schwerpunktlage (zum Beispiel Schwenkscheibe: Kippposition ≠ Massenschwerpunkt): kann (+) oder (-) sein
Moment infolge der translatorisch bewegten Massen (+) Dabei wirkt das Moment (im weiteten Text als Msw bezeichnet) infolge der rotierenden Massen in der Regel abregelnd; lediglich im Bereich sehr kleiner Kippwinkel kann z.B. durch eine exponierte Schwerpunktslage (Steineranteil bei der Berechnung des Deviationsmomentes Jyz) bei der Schwenkscheibe ein aufregelndes Moment erzeugt wer- den (siehe hierzu DE 195 14 748 C2). Schon im Bereich kleiner Kippwinkel überwiegt dann der Anteil des Deviationsmomentes J ohne Steineranteil, und die Schwenkscheibe weist mit zunehmendem Kippwinkel ein zunehmend abregelndes Kippmoment auf.
Im Hinblick auf die DE 195 14 748 C2 ist weiterhin ein Verlauf für die translatorisch bewegten Massen angegeben, der, wie bereits erläutert, aufregelnd wirksam ist.
Von Interesse ist dann noch die Momentensumme, die ebenfalls grafisch dargestellt ist (Fig. 4 der DE 195 14 748 C2). Für den gesamten Kippwinkelbereich weist das Triebwerk ein aufregelndes Verhalten auf, da die translatorisch bewegten Massen in jedem Bereich das Regelverhalten dominieren.
Aus der EP 0 809 027 Al ist ein weiteres Triebwerk bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fördermenge des Verdichters durch das dynamische Verhalten des Triebwer¬ kes des Verdichters kompensiert wird, so daß die Fördermenge konstant gehalten werden kann. Konkret heißt es dort dazu wie folgt: „Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehgeschwindigkeiten kann das rückstellende Drehmoment der Tau¬ melscheibe ausgenützt werden, das ihrer Schrägstellung aufgrund dynamischer Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt."
Auf die EP 0 809 027 Al aufbauend sind aus der DE 198 39 914 Al Maßnahmen be¬ kannt, wie ein solches Regelverhalten (zumindest teilweise Kompensation der Förder¬ menge) erreicht werden kann. Es wird vorgeschlagen, die Bauteilmasse der Schwenk¬ scheibe im Hinblick auf die translatorisch bewegten Massen so zu dimensionieren, daß die Fliehkräfte der Schwenkscheibe das Regelverhalten derselben beeinflussen. Konkret heißt es dazu, daß die rotierende Masse der Antriebsscheibe größer ist als die gemeinsame Masse aller Kolben, so daß die beim Drehen der Antriebsscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Antriebsscheibe bewußt regelnd entgegenzu- wirken, und damit den. Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbeson¬ dere zu verringern bzw. zu begrenzen.
In der auf die Anmelderin zurückgehenden und noch nicht veröffentlichten DE 103 24 393 wird dargelegt, weshalb die Bauteilmasse nicht der bevorzugte Parameter sein sollte, um das Regelverhalten des Triebwerkes infolge von Drehzahlschwankungen wie gewünscht zu beeinflussen.
Das gewünschte Regelverhalten des Verdichters wird primär nicht mit der Bauteilmasse der Schwenkscheibe in Relation zu den translatorisch bewegten Massen erreicht, sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes der Baueinheit „Schwenkscheibe", welches mehr von deren Geometrie abhängt als von der Bauteilmasse. Ein Kerngedanke ist also, bei Drehzahlschwankungen oder Drehzahländerungen, das Moment infolge translatorisch bewegter Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren, oder auch zu überkompensieren.
Bei derartigen Verdichtern ist es erwünscht, die Häufigkeit und die Intensität von Regel¬ eingriffen auf ein niedriges Niveau zu reduzieren. In bezug auf den Stand der Technik und die DE 195 14 748 C2 ist es äußerst nachteilig, daß bei Erhöhung des Fördervolu- mens infolge einer Drehzahlerhöhung eine zusätzlich Erhöhung des Fördervolumens infolge eines vergrößerten Schwenkscheibenkippwinkels hinzukommt.
Dieser Effekt muß durch entsprechende Regeleingriffe kompensiert werden. Das ist nicht komfortabel, aufwendig und vermindert die Effizienz (Kraftstoffverbrauch).
Mit der EP 0 809 027 Al wird das Ziel vorgegeben, welches zu erreichen ist: Konstant¬ regelung der Fördermenge.
Es läßt sich jedoch sehr einfach nachweisen, daß das allein durch das an der Schwenk- scheibe angreifende Aufstellmoment (abregein) nicht möglich ist.
Das Fördervolumen verhält sich direkt proportional zu der Drehzahl, d.h. verdoppelt sich die Drehzahl, so verdoppelt sich auch das Fördervolumen. Dagegen gilt für das Kippmoment der Schwenkscheibe, welches durch das relevante Deviationsmoment ausgelöst wird, die folgende Gleichung:
Msw = Jyzω2
Da die Drehzahl quadratisch das Kippmoment beeinflußt, ist das formulierte Ziel „Konstantregelung der Fördermenge", allein durch die Konstruktion oder Dimensio¬ nierung der Schwenkscheibe nicht darstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdichter mit optimiertem Regelverhalten an¬ zugeben, bei dem bei hohen und höchsten Verdichter-Drehzahlen ein Vollastzustand vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, wobei bevorzugte Weiterentwicklungen und Ausführungsformen in den Unteran¬ sprüchen beschrieben sind.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist es demnach, daß das Kipp verhalten der Schwenkscheibe derart selbsttätig limitierend wirksam ist, daß bei hohen Drehzahlen des Verdichters, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen oder der maximalen Drehzahl des Verdichters, der Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe kleiner ist als der Winkel maximaler Auslenkung αmax bei kleinen Drehzahlen des Verdichters. Durch eine derartige Maßnahme wird ausgeschlossen, daß der Verdichter bei hohen Drehzahlen, ins- besondere bei seiner Maximaldrehzahl, mit einem zu großen Fördervolumen arbeitet. Da diese Maßnahme regulierend in das Fördervolumen eingreift, verringert sich die Anzahl der benötigten Regeleingriffe (in der Regel werden Schwenkscheibenverdichter durch eine Druckdifferenz zwischen einem im Triebwerksraum des Verdichters vorherrschenden Druck und einem an der Verdichterausgangs seite vorherrschenden Druck geregelt, wobei diese Druckdifferenz den Kolbenhub und damit das Fördervolumen des Verdichters bestimmt). Dies führt auch dazu, daß gerade in Momenten der Drehzahlsteigerung, insbe¬ sondere im Bereich hoher Drehzahlen, eine deutlich verringerte Anzahl leistungskonsu- mierender Regeleingriffe bzw. ggf. gar kein Regeleingriff nötig sind, was gerade beim Einsatz eines Verdichters in Kraftfahrzeugen in diesen Momenten die Leistung unge¬ schmälert dem Antrieb des Kraftfahrzeugs zukommen läßt. Dies ist insbesondere bei Überholvorgängen sehr vorteilhaft.
Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßer Verdichter derart ausgestaltet, daß sowohl die Geometrie als auch die Dimensionierung sämtlicher translatorisch bewegter Teile des Verdichters sowie sämtlicher rotatorisch bewegter Teile derart sind, daß für vorbestimmte Kippwinkel der Schwenkscheibe, insbesondere zwischen einem vorbestimmten minimalen Kippwinkel und einem vorbestimmten maximalen Kippwinkel das Moment Mk_ ges infolge der translatorisch bewegten Massen derart kleiner gewählt ist als das Moment Msw infolge des Deviationsmoments, d.h. derart kleiner gewählt ist als das Moment infolge der Mas¬ senträgheit der Schwenkscheibe, daß bei hohen Drehzahlen des Verdichters, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen oder einer maximalen Drehzahl, der Winkel maximaler Aus¬ lenkung der Schwenkscheibe kleiner ist als der Winkel maximaler Auslenkung bei kleine- ren Drehzahlen des Verdichters. Zu den translatorisch bewegten Teilen des Verdichters gehören die Kolben, ggf. auch die Kolbenstangen sowie Gleitsteine oder dgl. Zu den rotatorisch bewegten Teilen sind im wesentlichen die Schwenkscheibe, sowie ggf. ein bzw. mehrere Mitnehmer zu zählen. Bei dieser Aus führungs form handelt es sich um eine konstruktiv einfach zu realisierende und somit kostengünstig zu produzierende Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters. Daneben sind selbstverständlich auch die bereits vorstehend erläuterten Vorteile, insbesondere der Vorteil einer geringen An¬ zahl von Regeleingriffen, die beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Verdichters notwen¬ dig werden, in vollem Umfang für die vorhegende bevorzugte Aus führungs form gültig.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß moderne Axialkolbenverdichter, insbesondere Ver¬ dichter, die für den Einsatz in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage vorgesehen sind, bei Teillast einen so großen Kältemittelmassenstrom, der quasi einer Leistung des Verdich¬ ters entspricht, bringen, um eine genügend hohe Kühlleistung bereitzustellen. Der Ver¬ dichter muß deshalb gerade bei hohen, sehr hohen und auch bei der höchsten Drehzahl abgeregelt werden, wobei durch die vorliegende Erfindung die Anzahl der benötigten Re¬ geleingriffe sehr stark verringert wird bzw. keinerlei Regeleingriffe mehr notwendig sind. Ferner sei auch auf den Sicherheitsaspekt verwiesen, der insbesondere bei Verdichtern, die mit einem Hochdruckkältemittel betrieben werden, eine erhebliche Rolle spielt. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird verhindert, daß eine hohe Drehzahl und ein großer Kolbenhub des Verdichters gleichzeitig auftreten, was bei Verdichtern gemäß dem Stand der Technik durchaus dazu führen kann, daß bei (ggf. plötzlichem) Auftreten von hoher Drehzahl und großem Hub der Verdichterdruck derart ansteigt, daß es zu einem Bersten des Verdichtergehäuses kommt.
Der er findungs gemäße Verdichter kann wenigstens eine Einrichtung umfassen, welche eine Stellkraft auf die Schwenkscheibe ausübt. Die besagte Einrichtung ist vorzugsweise zusätzlich zu einer Einrichtung zur Verstellung bzw. zur Steuerung bzw. Regelung des Triebwerksraumdruckes des Verdichters demselben zugeordnet. Diese Einrichtung bzw. diese Einrichtungen kann bzw. können alleine als das selbsttätig limitierende Glied der Schwenkscheibe fungieren, sie kann bzw. können jedoch auch in einem Verdichter angeordnet sein, bei dem bereits die Massenverteilungen bzw. die Momentenverteilung der Schwenkscheibe ein Abregein derselben bei hohen Drehzahlen bewirkt. In diesem Fall wird eine bereits aufgrund der Geometrie des Schwenkscheibenmechanismus vorhandene Tendenz des Verdichters, bei hoher Drehzahl abzuregein, unterstützt bzw. verstärkt. Die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft umfaßt optional ein elastisches Element, das insbesondere in Form einer Rückstellfeder vorliegen kann, und/oder einen Aktuator bzw. einen Stellkolben. Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäßer Verdichter ein fliehktaftabhängiges Stellglied und/oder eine weitere Feder umfassen. Es ist auch denkbar, daß die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft eine Drosselstelle umfaßt, deren Querschnitt mittels eines Stellgliedes, insbesondere mittels eines Stellkolbens variierbar sein kann. Die Drosselstelle kann insbesondere auf der Saug- oder Druckseite des Verdichters angeordnet sein. Ist die Drosselstelle auf der Saugseite des Verdichters angeordnet, so kann dadurch die Dichte des Sauggases beliebig geregelt bzw. abgesenkt werden. Als Stellgröße für das Stellglied, insbesondere Stellkolben, ist ein im Triebwerks räum des Verdichters vorherrschender Druck und/oder der an der Auslaßseite des Verdichters vorherrschende Druck zu bevorzugen. Diese Stellgrößen sind leicht zugänglich. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied intern, insbesondere über eine Magnetspule oder dgl. Vorrichtung, geregelt bzw. gesteuert. Alternativ ist auch ein konstanter Querschnitt der Drosselstelle denkbar. Bei all den vorstehend genannten Aus führungs formen handelt es sich um konstruktiv einfache Maßnahmen, die somit kostengünstig herzustellen sind. Je nach Einsatzgebiet des Verdichters und gewünschter Stellkraft bzw. Rückstellkraft können die verschiedenen Maßnahmen entweder einzeln oder auch in Kombination miteinander im Verdichter realisiert werden, wodurch ein wunschgemäßes Regelverhalten einfach erreichbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Schwerpunkt der Schwenkscheibe auf der Kippachse derselben. Die Kippachse der Schwenkscheibe wiederum liegt vorzugs¬ weise auf der Mittelachse der Antriebswelle. Durch diese konstruktiven Maßnahmen wird ein ruhiger, verschleißarmer Lauf des Verdichters mit einer möglichst geringen Unwucht gewährleistet.
Die Schwenkscheibe ist in einer weiteren bevorzugten Aus führungs form ringförmig, d.h. als Schwenkring ausgebildet. Dies stellt ein optimales Verhältnis zwischen der Masse der Schwenkscheibe (die gering ist) bzw. des Schwenkrings und ihres bzw. seines Massen- trägheitsmomentes (das hoch ist) sicher.
Vorzugsweise entspricht der Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe im Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen des Verdichters einem Winkel ocmax, während der Winkel maximaler Auslenkung bei der Maximaldrehzahl des Verdichters in etwa einem Winkel von αmax/2 entspricht. Bereiche kleiner und mittlerer Drehzahl erstrecken sich im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung bis etwa zu der halben Maximaldrehzahl des Verdichters. Bei Verdichtern moderner Bauart, die eine Maximaldrehzahl von etwa 8000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute erreichen, erstreckt sich damit ein Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen bis hin zu etwa 4000 Umdrehun- gen pro Minute, wobei darauf verwiesen sei, daß die vorstehenden Zahlenangaben selbst¬ verständlich nur als beispielhaft anzusehen sind.
Die Schwenkscheibe eines erfindungsgemäßen Verdichters ist bevorzugt für Drehzahlen ab etwa 4000 bis 5000 Umdrehungen pro Minute nicht mehr bis zu einem bzw. dem Winkel cxmax ver schwenkbar. Dadurch ist eine optimale Lastbegrenzung gewährleistet, die gerade unter dem Sicherheitsaspekt vorteilhafte Auswirkungen hat. Sowohl eine Gefahr des Vereisens als auch die Gefahr des Berstens des Verdichtergehäuses wird im Vergleich zu Verdichtern gemäß dem Stand der Technik deutlich reduziert. In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form wird die Limitierung des Schwenkwin¬ kels für steigende Drehzahlen des Verdichters stärker. Auch für diese Aus führungs form ergeben sich die Vorteile, insbesondere bei Betrachtung des Sicherheitsaspekts, analog zu den vorstehenden Ausführungen.
Das Verhältnis von Deviationsmoment in y-Richtung und Gesamtmasse aller translato¬ risch bewegbaren Teile J /mk , zu denen wie vorstehend erläutert beispielsweise die Kolben, ggf. auch die Gleitsteine und Kolbenstangen zählen, beträgt bevorzugt min- destens etwa 1000 mm2. Noch vorteilhafter ist ein Verhältnis Jy/mk ges von mehr als
1500 mm2. Das Verhältnis von Deviationsmoment in z-Richtung und Gesamtmasse aller translatorisch bewegbaren Teile Jz/mk_ ges beträgt in einer weiteren bevorzugten Ausfüh¬ rungsform mindestens etwa 2000 mm2, noch vorteilhafter ist ein Wert von mehr als 3000 mm2. Durch das große Verhältnis zwischen Deviationsmoment und Gesamtmasse der translatorisch bewegbaren Teile wird die gewünschte Regelcharakteristik auf eine einfache Art und Weise erreicht.
Erfindungsgemäß wurde auch erkannt, daß eine „passende" Federkonstante gewählt wer¬ den sollte (diese bestimmt die Steigung der Regelcharakteristik). In einer weiteren bevor- zugten Aus führungs form weist eine Rückstellfeder, die eine rückstellende Kraft auf die ausgelenkte Schwenkscheibe ausübt, eine Federkonstante von weniger als etwa 60 N/mm auf. Noch vorteilhafter ist eine Verwendung von Rückstellfedern, die eine Federkonstante von weniger als 30 N/mm aufweisen, wobei natürlich die Momente der translatorisch und rotatorisch bewegten Teile jeweils entsprechend angepaßt sind. Federn mit derartigen Federkonstanten sind kostengünstig erhältlich, benötigen einen geringen Einbauraum und sind außerdem verschleißarm.
Bei den hierin beschriebenen Aus führungs formen hat die Schwenkscheibe einen direkt oder indirekt (über die Schiebehülse) definierten minimalen und maximalen Anschlag. Der maximale Anschlag wird bei hohen Drehzahlen nicht erreicht und ist in den vor¬ stehend beschriebenen Aus führungs formen fest vorgegeben und nicht regelbar. In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form weist ein erfindungsgemäßer Verdichter einen drehzahlabhängigen Anschlag auf, der in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl den Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe begrenzt. Dieser drehzahlabhängige Anschlag dient als weitere Maßnahme, um sicherzustellen, daß bei hohen Drehzahlen der Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe geringer ist als bei niedrigen Dreh¬ zahlen. Denkbar ist in diesem Falle beispielsweise ein Absatz an der Antriebswelle, der ein Verschwenken über einen vorbestimmten Winkel hinaus verhindert. Auch eine andere Konstruktion, die z.B. eine auf der Antriebswelle verschieblich gelagerte Hülse oder dgl. aufweist, wäre denkbar. Die Steuerung des Anschlags kann beispielsweise über die (dreh- zahlabhängige) Fliehkraft erfolgen.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß im Rahmen der Erfindung erkannt wurde, daß die Vermeidung exponierter Schwerpunktlagen stärkere Krümmungen des Verlaufs der Regelcharakteristik vermeidet.
Die Erfindung wird nachfolgend in Hinsicht auf weitere Vorteile und Merkmale beispiel¬ haft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeich¬ nungen zeigen in:
Fig. 1 eine Skizze eines Schwenkrings eines erfindungsgemäßen Verdichters;
Fig. 2 eine Skizze einer Schwenkscheibe zur Erläuterung des in der vorliegenden Anmeldung Verwendung findenden Koordinatensystems;
Fig. 3-7 Diagramme, die die Regelkennlinien zweier Aus führungs formen eines erfin¬ dungsgemäßen Verdichters in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Drehzahl, Saugdruck, Verdichtungsdruck und Federkonstante eine Rückstell¬ feder zeigen; und
Fig. 8 ein Diagramm, das die Regelkennlinien eines erfindungsgemäßen Verdichters in Abhängigkeit weiterer (zusätzlicher) Parameter darstellt. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung kann dann das Kippmoment des schwenkba¬ ren Anteils der Schwenkscheibeneinrichtung vereinfacht durch Gleichungen ausgedrückt werden, die für einen ringförmigen Schwenkscheibenbauteil maßgebend sind.
Die im folgenden dargestellte vereinfachte Herleitung ist deshalb lediglich als beispielhaft anzusehen; bei komplexerer Geometrie der Schwenkscheibe würden die Massenträgheits¬ momente und Deviationsmomente und andere von Geometrie und Dichte beeinflußte Größen mittels CAD berechnet.
Für die Herleitung des Deviationsmomentes gelten im allgemeinen die folgenden mathe¬ matischen Zusammenhänge (Koordinatensystem Fig. 1):
Jyz = Ji cosα2 COSCt3 - J2 cosß2 cosß3 - J3 cosγ2 cosγ3
(X1 = 0 P1 = 90° Richtungswinkel der x-Achse
Y1 = 90° gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, η, ζ α2 = 90° ß2 = ψ Richtungswinkel der y-Achse γ2 = 90° + ψ gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, η, ζ CC3 = 90° ß3 = 90 - ψ Richtungswinkel der z-Achse γ3 = ψ gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, η, ζ
Das hierbei verwendete Koordinatensystem geht aus der Darstellung in Fig. 2 hervor. Weiterhin gilt für einen „Ring":
m \ 2 2 h I j2 =: Jη = T r" ' 3 S°Wle
(Anmerkung: J3 « 2J2)
Ziel: J soll eine bestimmte Größe haben; Jy2T >- J3T J2 erhöht sich zwangsläufig.
Für das Deviationsmoment, welches für die Schwenkbewegung maßgebend ist, gilt:
I7Z = -Ji cosψ sinψ + J3 cosψ sinψ
Unabhängig von der Fig. 2 gilt für das Moment infolge Massenkräfte der Kolben:
P1 = θ + 2π(i-l) -
Z1 = Rω2 tanα cosß, Fmι = mkzt M(FJ = mkR cosßÄ
sowie das Moment Msw infolge Deviationsmoment:
M„ = Jyz ω2
cosαsmα
JH
J = ^sin2α(3r>3r,2 -F)
Im Zusammenhang mit der Erfindung soll folgendes Momentenverhältnis konstruktiv eingestellt werden:
M,w > Mk>ges bzw. ω2R2mk tan a∑ cos 2ß < ω2^^-sin2a(3^ +3η2 -h2)
/=1 ^
Wie bereits erläutert, läßt sich das (Kipp-)Moment des Schwenkringes infolge des zuge¬ hörigen Deviationsmoments durch verschiedene Parameter (Geometrie, Dichteverteilung, Masse, Massenschwerpunkt) bewußt so einstellen, daß
Msw > M.
gilt. Insbesondere aber soll Msw deutlich größer als Mk sein.
Im Zusammenhang mit den angegebenen Gleichungen bedeutet:
θ Drehwinkel der Welle (wobei die vor- und nachstehenden Betrachtungen der
Einfachheit halber für θ = 0 angestellt werden) η Anzahl der Kolben
R Abstand der Kolbenachse zur Wellenachse ω Wellendrehzahl α Kippwinkel des Schwenkrings / Schwenkscheibe mk Masse e. Kolbens inklusive Gleitstein (Paar) Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine msw Masse des Schwenkringes ra Außenradius des Schwenkringes t{ Innenradius des Schwenkringes h Höhe des Schwenkringes g Dichte des Schwenkringes
V Volumen des Schwenkringes ßi Winkelposition des Kolbens i
Z; Beschleunigung des Kolbens i
Fmi Masssenkraft des Kolbens i (inklusive Gleitsteine) M(Fmi) Moment infolge der Massenkraft des Kolbens i
Mk Moment infolge der Massenkraft aller Kolben Msw Moment (bzw. Aufstellmoment des Schwenkringes/Schwenkscheibe) infolge des Deviationsmomentes (JYZ)
Bei der Auswahl der Parameter zum Erreichen des erwünschten Momentenverhältnisses, soll erfindungsgemäß die Schwerpunktslage weitgehend keinen Einfluß haben. D.h. bei der Berechnung des maßgebenden Deviationsmomentes ist der für den Massenschwer¬ punkt zu berücksichtigende Steineranteil im wesentlichen
yszsm = 0
Dabei liegt die Koordinate zs in Richtung der Wellenachse und die Koordinate ys senkrecht hierzu und senkrecht zur Kippachse xs der Schwenkscheibe (xs ist natürlich auch =0).
Das Deviationsmoment J' inklusive Steineranteil ergibt sich zu
J'yz = Jyz + YsZsßl
Entsprechend der angegebenen Herleitung für eine Schrägscheibe in Ringform wurden die für das Regelverhalten maßgebenden Größen bestimmt. Aus den Tabellen 1 und 2 sind die Werte für zwei verschiedene bevorzugte Ausführungsformen von erfindungs¬ gemäßen Verdichtern entnehmbar.
Tabelle 1:
Kippmomentbestimmung für die Schrägscheibe einer ersten bevorzugten
Ausführungsform eines erfinduαgsgemäßen Verdichters
Schrägscheibe Variante 1
Tabelle 2:
Kippmomentbestimavung für die Schrägscheibe einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform eines er findungs gemäßen Verdichters
Schrägscheibe Variante 2
Als Auslegungskriterium ist, wie bereits erwähnt, das Verhältnis Jy/mk ges oder J2/mk sinnvoll, das unabhängig vom Kältemittel (welches beispielsweise CO2, Rl 34a, Rl 52a etc. sein kann) das Momentverhältnis
Msw > Mk]ges
und damit das Regelverhalten des Verdichtertriebwerks charakterisiert. Wie den beiden Tabellen entnommen werden kann, weisen die bevorzugten Aus führungs formen eines erfindungsgemäßen Verdichters ein Verhältnis Jj./mk_ ges von mehr als 1000 mm2 bzw. von mehr als 1500 mm2 auf, während das Verhältnis J2/mk ges in beiden Fällen deutlich über 2000 mm2, bei der zweiten bevorzugten Aus führungs form sogar in etwa 3000 mm2 beträgt. In Fig. 3 sind die Regelkennlinien eines erfindungsgemäßen Verdichters für das Kältemittel CO2 und eine Federkonstante der Rückstellfeder von 30 N/mm jeweils für eine maximale Drehzahl (in der vorliegenden Aus führungs form 8000 U/min) und eine minimale Drehzahl (1000 U/min) für die Betriebspunkte
- Saugdruck ps = 35 bar; Verdichtungsdruck pd = 130 bar
Saugdruck ps = 50 bar; Verdichtungsdruck pd = 100 bar und Saugdruck ps = 20 bar; Verdichtungsdruck pd = 70 bar
dargestellt. Die (nicht dargestellten) Regelkennlinien einer zwischen 1000 U/min und 8000 U/min liegenden Drehzahl hegen zwischen den jeweiligen Kurven mit dem entspre¬ chenden Saug- bzw. Verdichtungsdruck. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, schneiden die Regel¬ kennlinien für die Drehzahl 8000 U/min für die drei verschiedenen Betriebspunkte die x- Achse (auf der der Kippwinkel der Schrägscheibe oder das geometrische Hubvolumen des Verdichters aufgetragen ist) etwa bei halbem maximalem Kippwinkel, der bei der vorlie- genden bevorzugten Ausführungsform etwa 20° beträgt. Für genau eine Drehzahl läßt sich der Schnittpunkt mit der x-Achse konstruktiv einstellen, die anderen Betriebspunkte beinhalten kleinere Abweichungen hiervon, wobei Regelkennlinien gleicher Drehzahl und unterschiedlicher Betriebspunkte in etwa parallel zueinander verschoben sind.
In Fig. 4 sind Regelkennlinien für einen Betriebspunkt (Saugdruck ps = 35 bar; Verdich¬ tungsdruck pd = 130 bar) für verschiedene Drehzahlen, nämlich 1000 U/min, 2000 U/min, 4000 U/min und 8000 U/min, dargestellt, wobei die Federkonstante der Rück¬ stellfeder 30 N/mm beträgt. Wie der Figur entnommen werden kann, ist für Drehzahlen kleiner oder gleich 4000 U/min problemlos das Erreichen eines Winkels maximaler Aus- lenkung von etwa 20° erreichbar, während bei 8000 U/min nur mehr ein Winkel maxi¬ maler Auslenkung von etwa 14° erreicht werden kann. Demnach ist bis zu Drehzahlen von 4000 U/min, eventuell sogar 5000 U/min, das Erreichen eines maximalen Kolben¬ hubes möglich, während für größere Drehzahlen der Winkel größter Auslenkung der Schwenkscheibe reduziert wird. Durch eine Erhöhung der Federkonstante der Rückstell- feder oder aber auch eine Erhöhung der Massenträgheit der Schrägscheibe in Relation zur Kolbenmasse wäre ebenso ein Verdichter erreichbar, bei dem bereits bei einer Drehzahl von 4000 U/min ein maximaler Kolbenhub nicht mehr erreicht werden kann.
Die vorstehend beschriebene Tendenz ist aus Fig. 5 ersichtlich, in der die Regelkennlinien für die gleichen Betriebspunkte wie in Fig. 4, jedoch für eine Federkonstante von
60 N/mm dargestellt sind. Wie man deutlich sieht, zeigen die dargestellten Kurven ein Verhalten, das ein Abregein des Verdichters favorisiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß bei dem hier vorliegenden Betriebspunkt mit einem Saugdruck von ps = 35 bar und einem Verdichtungsdruck pd = 130 bar eine Erhöhung der Federkonstante von 30 N/mm auf 60 N/mm eine Regelcharakteristik mit sich bringt, die etwas günstiger ist als bei einer kleineren Federkonstante. Auf der anderen Seite ist, wie erfindungsgemäß erkannt wurde, für andere Betriebspunkte, beispielsweise einem Saugdruck ps — 20 bar und einem Verdichtungsdruck pd = 70 bar (vgl. Fig. 3) eine Er¬ höhung der Federkonstante ungünstig, da die Regelkennlinien eine größere Steigung auf¬ weisen würden. Der Schnittpunkt mit der x-Achse würde sich schon für kleinere Dreh¬ zahlen ergeben. Die vorstehenden Erläuterungen zusammenfassend läßt sich festhalten, daß erfindungsgemäß erkannt wurde, daß für die Rückstellfeder Federraten von weniger als 60 N/mm, insbesondere Federraten von etwa 30 N/mm oder ggf. noch kleiner vor¬ teilhaft sind.
Alternativ zur Variation der Federrate bzw. ggf. natürlich auch zusätzlich zu dieser kann die Massenträgheit der Schrägscheibe erhöht werden. In Fig. 6 sind wiederum die Regel¬ kennlinien für einen Saugdruck ps = 35 bar und einen Verdichtungsdruck pd = 130 bar für die verschiedenen Drehzahlen bei einer Federkonstante von 30 N/mm und bei er¬ höhter Massenträgheit der Schwenkscheibe dargestellt. Wie Fig. 6 entnehmbar ist, ergibt sich wiederum der gewünschte Verlauf. Die Angaben zur Geometrie der Schwenkscheibe, die eine Regelcharakteristik hat, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, können der vorstehenden Tabelle 2 entnommen werden.
Beide der in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Schrägscheiben-Geometrien sind, wie den vorstehend erläuterten Figuren entnehmbar ist, geeignet, das gewünschte Regelverhalten darzustellen.
Fig. 7 schließlich zeigt analog zu Fig. 3 die bekannten drei Betriebspunkte bei einer Dreh¬ zahl von jeweils 1000 U/min und 8000 U/min. Erwünscht ist für einen Verdichter in etwa eine Anordnung der Regelkennlinien gemäß den Figuren 3 und 7 mit den angegebe- nen Massenträgheiten der Schrägscheiben gemäß Tabelle 1 und Tabelle 2. Die Regelkenn¬ linien aus dem Diagramm der Fig. 3 stellen im Vergleich zu den Regelkennlinien aus der Fig. 7 den gewünschten Effekt in vergleichsweise schwächerer Form dar, wohingegen der Effekt in den Regelkennlinien gemäß Fig. 7 deutlicher ausgeprägt ist. Beiden Ausfüh¬ rungsformen jedoch gleich ist, daß die Regelkennlinien für hohe Drehzahlen einen Schnittpunkt mit der x-Achse aufweisen, was heißt, daß der Winkel maximaler Aus¬ lenkung für hohe Drehzahlen geringer ist als der Winkel maximaler Auslenkung für nied¬ rige Drehzahlen. Insbesondere ist erwünscht, daß die Regelkennlinien für Drehzahlen etwa oberhalb 4000 U/min einen solchen Schnittpunkt aufweisen, d.h. also den Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe verkleinern. Bei hohen Drehzahlen ist es erwünscht, das Hubvolumen auf etwa 50% oder kleiner zu begrenzen, wobei hohe Drehzahlen wie bereits erwähnt bei modernen Verdichtern etwa 8000 U/min sind.
Es sei erwähnt, daß das Abregein des Verdichters auch durch einen Regeleingriff erreich¬ bar wäre, wobei neben der zeitlichen Trägheit, die der Regeleingriff beinhaltet, auch ener¬ getische Verluste hier eine große Rolle spielen. Bei starker Beschleunigung des Fahrzeugs und Betrieb des Verdichters bei Vollast erfordert der Verdichterbetrieb zunächst (zumin- dest bis die Regelung dies wieder korrigiert und das Hubvolumen verkleinert wird) ein sehr hohes Drehmoment, was insbesondere bei Überholvorgängen des Fahrzeugs natür¬ lich äußerst unerwünscht ist. Zusätzlich wird die Sicherheit in einem erfindungsgemäßen Verdichter erhöht, da Störungen des Regelventils beispielsweise durch Verschmutzung, Blockieren des Ventilsitzes, Vereisung oder dgl. einen Regeleingriff beeinträchtigen oder behindern. Ein starker Druckanstieg, insbesondere bei Hochdruck-Kältemitteln wie CO2, wird in einem derartigen Falle sehr leicht zum Sicherheitsrisiko. Daher ist es sinnvoll, bei hoher Drehzahl größere Kippwinkel der Schrägscheibe gar nicht erst erreichbar zu machen.
Weiterhin sei angemerkt, daß die Figuren 3, 4, 5, 6 und 7, die sich auf Verdichter, in denen das Hochdruck-Kältemittel CO2 zum Einsatz kommt, beziehen, qualitativ selbst¬ verständlich auch für andere Kältemittel, wie R134a, R152a etc., verwendet werden kön¬ nen. Lediglich die y-Achse der Diagramme müßte in bezug auf die angegebenen Drücke angepaßt werden.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß die gewünschte Regelcharakteristik (mit Schnittpunk¬ ten der entsprechenden Kurven mit der x-Achse) im wesentlichen durch eine geeignete Auswahl von Msw und Mk erreicht wird. Die Feineinstellung der gewünschten Regel¬ charakteristik kann auch durch andere Maßnahmen erfolgen, wie beispielsweise eine geeignete Auswahl der Federkonstante der Rückstellfeder.
Abschließend sei auf Fig. 8 hingewiesen, in welcher das Zusammenspiel zwischen dem Kippwinkel der Schwenk- bzw. Schrägscheibe und dem Druck im Triebwerksraum bzw. dem Differenzdruck zwischen dem Triebwerks räum und der Saugkammer in Abhängigkeit verschiedener Parameter dargestellt ist. Der Fig. 8 lassen sich die
Regelcharakteristiken eines erfindungsgemäßen Verdichters bei einer Verwendung verschiedener zusätzlicher Einrichtungen, welche eine Stellkraft auf die Schwenkscheibe ausüben, erkennen. Mit den votstehend als zusätzlichen Einrichtungen bezeichneten Einrichtungen sind bei den vorliegend diskutierten bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verdichters Einrichtungen gemeint, welche neben einer Einrichtung zur Verstellung bzw. zur Variation des Triebwerksraumdruckes und zusätzlich zu einer Rückstellfeder dem Verdichter zugeordnet sind. An dieser Stelle sei angemerkt, daß neben geometrischen Überlegungen betreffend die Momentverteilungen selbstverständlich auch andere den Kippwinkel der Schwenkscheibe beeinflussende bzw. limitierende Einrichtungen, d.h. also Einrichtungen, welche beispielsweise eine Stellkraft auf die Schwenkscheibe ausüben, im Grundgedanken der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Dies können im einzelnen neben der bereits erwähnten Rückstellfeder ein Aktuator, ein Stellkolben, ein fliehkraftabhängiges Stellglied, eine weitere Feder oder auch eine Drosselstelle mit variablem oder mit konstantem Querschnitt sein. Eine Drosselstelle mit variablem Querschnitt ist insbesondere in Form einer Drosselstelle, die mittels eines Stellglieds, d.h. also eines Stellkolbens, variierbar ist, vorstellbar. Es ist hervorzuheben, daß im Umfang der Erfindung sowohl einzelne der vorstehend erwähnten Maßnahmen als auch mehrere Maßnahmen bzw. Einrichtungen in Kombination enthalten sind. Die entsprechenden Regelkennlinien können (wie bereits vorstehend erwähnt) der Fig. 8 entnommen werden.
Im einzelnen kann der Fig. 8 entnommen werden, daß bei einer Vergrößerung der Federkonstante der Rückstellfeder oder durch die Verwendung einer ggf. weiteren Stellkraft, d.h. also beispielsweise durch die Verwendung eines Aktuators, eine steilere Regelcharakteristik erzielt werden kann. Ferner kann der Fig. 8 entnommen werden, daß eine Abdrosselung auf der Saugseite, beispielsweise durch eine Drosselstelle variablen oder aber auch festen Querschnitts, eine im Vergleich zur Regelcharakteristik ohne zusätzliche Stellkraft parallel zu niedrigeren Drücken hin verschobene Kurve ergibt. Eine analoge Regelcharakteristik ergibt sich, wenn die Rückstellfeder vorgespannt wird. Durch die vorstehend geschilderten Maßnahmen läßt sich insbesondere die gewünschte Regelcharakteristik mit Schnittpunkten der entsprechenden Kurve mit der X-Achse an der gewünschten Stelle auf eine einfache Art und Weise erzeugen, wobei die Vielfalt der Möglichkeiten ein breites Regelspektrum (je nach Einsatzgebiet des Verdichters) ermöglicht. Je nach Wunsch des Anwenders können ein oder mehrere Maßnahmen kombiniert werden und somit jegliche gewünschte Regelcharakteristik erzielt werden.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit fester Merkmalskombina¬ tion beschrieben wird, umfaßt sie doch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kom¬ binationen dieser Merkmale, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kom¬ bination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims

"Axialkolbenverdichter "Patentansprüche
1. Axialkolbenverdichter, insbesondere Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle drehende Schwenkscheibe (Schräg-, Taumelscheibe oder Schwenkring) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippverhalten der Schwenkscheibe derart selbsttätig limitierend wirksam ist, daß bei hohen Drehzahlen des Verdichters, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen oder der maximalen Drehzahl, der Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe kleiner ist als der Winkel maximaler Auslenkung αmax bei niedrigen Drehzahlen des Verdichters.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie und Dimensionierung sämtlicher translatorisch bewegter Teile, wie Axialkolben, Kolbenstange oder Gleitsteine, od. dgl., einerseits und sämtlicher rotatorisch bewegter Teile, wie Schwenkscheibe, Mitnehmer od. dgl., andererseits derart sind, daß für vorbestimmte Kippwinkel der Schwenkscheibe, insbesondere zwischen einem vorbestimmten minimalen Kippwinkel und einem vorbestimmten maximalen Kippwinkel das Moment Mk infolge der translatorisch bewegten Massen, insbesondere der Kolben, ggf. einschließlich Gleitsteine, Kolbenstangen od. dgl., derart kleiner gewählt ist als das Moment Msw infolge des Deviations¬ moments, d.h. als das Moment infolge der Massenträgheit der Schwenkscheibe, daß bei hohen Drehzahlen des Verdichters, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen oder bei einer maximalen Drehzahl, der Winkel maximaler Auslenkung der
Schwenkscheibe kleiner ist als der Winkel maximaler Auslenkung ctmax bei kleineren Drehzahlen des Verdichters.
3. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Einrichtung, welche eine Stellkraft auf die Schwenkscheibe ausübt.
4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft dem Verdichter zusätzlich zu einer Einrichtung zur Verstellung des Drucks im Triebwerksraum zugeordnet ist.
5. Verdichter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft einen Aktuator bzw. einen Stellkolben umfaßt.
6. Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft ein fliehkraftabhängiges Stellglied umfaßt.
7. Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft eine Feder, insbesondere zusätzlich zu einer Rückstellfeder, umfaßt.
8. Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einrichtung zur Ausübung der Stellkraft eine Drosselstelle umfaßt.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle auf der Saugseite des Verdichters angeordnet ist.
10. Verdichter nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Drosselstelle mittels eines Stellgliedes, insbesondere Stellkolbens variierbar ist.
11. Verdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Triebwerksraum des Verdichters vorherrschender Druck (P c) und/oder ein an einer Auslaßseite vorherrschender Druck (PD) als Stellgröße für das Stellglied, insbesondere Stellkolben, dienen.
12. Verdichter nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß daß das Stellglied intern, insbesondere über eine Magnetspule oder dgl. Vorrichtung, geregelt bzw. gesteuert ist.
13. Verdichter nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle einen konstanten Querschnitt aufweist.
14. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt der Schwenkscheibe auf der Kippachse derselben liegt.
15. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippachse der Schwenkscheibe auf einer Mittelachse der Antriebswelle Hegt.
16. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkscheibe ringförmig, d.h. als Schwenkring ausgebildet ist.
17. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe im Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen bis hin zu etwa der halben Maximal-Drehzahl des Verdichters, insbesondere in einem Bereich von 0 bis 4000 Umdrehungen/Minute einem Winkel αmax entspricht, während er bei der Maximal-Drehzahl des Verdichters in etwa einem Winkel von αmax/2 entspricht.
18. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkscheibe für Drehzahlen ab etwa 4000 Umdrehungen/Minute bis 5000 Umdrehungen/Minute nicht mehr bis zu einem/dem Winkel αmax verschwenkbar ist.
19. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Limitierung des Schwenkwinkels für steigende Drehzahlen des Verdichters stärker wird.
20. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis von Deviationsmoment in y-Richtung und der Gesamtmasse aller translatorisch bewegbaren Teile wie beispielsweise Kolben, ggf. Gleitsteine und dgl.,
Jy/m , mindestens in etwa 1000 gmm2/g, insbesondere mehr als 1500 gmm2/g beträgt.
21. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis von Deviationsmoment in z-Richtung und der Gesamtmasse aller translatorisch bewegbaren Teile wie beispielsweise Kolben, ggf. Gleitsteine und dgl.,
Jz/mk , mindestens in etwa 2000 gmm2/g, insbesondere mehr als 3000 gmm2/g beträgt.
22. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bzw. die Rückstellfeder eine Federkonstante von weniger als etwa 60 N/mm, insbesondere von weniger als 30 N/mm aufweist.
23. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen drehzahlabhängigen Anschlag, der in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl den Winkel maximaler Auslenkung der Schwenkscheibe begrenzt.
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