DE102005031511A1

DE102005031511A1 - Steuerungsventil für einen Kältemittelverdichter und Kältemittelverdichter

Info

Publication number: DE102005031511A1
Application number: DE102005031511A
Authority: DE
Inventors: Joan Aguilar Dipl.-Ing. Rojas; Roland Dipl.-Ing. Cäsar
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2007003423A1; JP2009500552A; US20080296524A1; ATE542051T1; PL1899605T3; US7950242B2; EP1899605B1; EP1899605A1; JP4778554B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter (1) mit einem Steuerungsventil (2), beziehungsweise ein Steuerungsventil (2) für einen Kältemittelverdichter (1) zur Steuerung des Fördergrades des Kältemittelverdichters (1) über Einstellung eines Antriebsgehäusedrucks p¶C¶ des Kältemittelverdichters, wobei ein Steuerkörper (20) einerseits eine förderseitige Steuerleitung (21) zwischen einer mit Hochdruck p¶D¶ des Verdichters beaufschlagten Ausgabekammer (101) und dem Antriebsgehäuse (10) des Verdichters und andererseits eine saugseitige Steuerleitung (22) zwischen dem Antriebsgehäuse (10) und einer mit Saugdruck p¶S¶ beaufschlagten Saugkammer (102) des Verdichtes veränderbar drosselnd und/oder absperrend steuert, wobei ein Steuerkörper (20) des Steuerungsventils (2) elektromagnetisch angetrieben ist. Um die Kälteleistung und das Steuerungsverhalten des Kältesystems zu verbessern, ist ein Steuerkörper (20) vorgesehen, der sowohl die förderseitige als auch die saugseitige Steuerleitung absperren kann, der durch eine Druckdose (23) angetrieben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsventil für einen Kältemittelverdichter nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1 und einen Kältemittelverdichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Ein gattungsbildendes Steuerungsventil beziehungsweise ein gattungsbildender Kältemittelverdichter sind in der DE 38 22 465 A1 offenbart. Der Kältemittelverdichter weist mehrere in einem Antriebsgehäuse arbeitende Verdrängungskolben auf, welche von einer über eine Antriebswelle eine Riemenscheibe und den Riementrieb eines Antriebsaggregates eines Kraftfahrzeugs angetriebene Taumelscheibe in ihrer Förderbewegung angetrieben werden. Die Kolben legen dabei eine in axialer Richtung der zugehörigen Zylinderbohrungen ausgerichtete, alternierende Hubbewegung aus. Die Förderleistung des Kältemittelverdichters ist über den im Hohlraum des Antriebsgehäuses wirkenden Antriebsgehäusedruck p_C einstellbar, der auf die der Verdrängungsseite der Kolben abgewandte Rückseite wirkt. So kann ausgehend von einer maximalen Förderleistung des Verdichters durch Erhöhung des Antriebsgehäusedrucks p_C die Ansaugbewegung der Kolben bis zur Einstellung einer minimalen Förderleistung beziehungsweise bis zum Ausschalten der Förderleistung reduziert werden. Zum Einstellen des die Förderleistung vorgebenden Antriebsgehäusedrucks p_C ist das Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters mit der den Saugdruck p_S aufweisenden Saugkammer und der den Förderdruck p_D aufweisenden Förderkammer verbunden. Dabei wird gängigerweise im Förderbetrieb des Verdichters über eine starr gedrosselte, dauerhaft geöffnete Leitung zur Saugkammer und eine durch ein Ventil gesteuert drosselbare Verbindung zur Förderkammer des Antriebsgehäusedruck p_C eingestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Förderleistung und Steuerung des Kältemittelverdichters weiter zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch ein Steuerungsventil für einen Kältemittelverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Kältemittelverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Ein derartiger, beziehungsweise ein von einem solchen Ventil gesteuerter Kältemittelverdichter weist in einem Antriebsgehäuse arbeitende Förderkolben auf, welche in einer zugehörigen Zylinderbohrungen des Antriebsgehäuses alternierende Hubbewegungen ausführen. Dabei sind die Förderkolben zwischen einer eine Verdrängungsbewegung begrenzend abschließenden Verdrängungsendstellung einerseits und einer eine Ansaugbewegung begrenzend abschließenden Ansaugendstellung bewegt. Dabei ist die Verdrängungsbewegung auf eine die Zylinderbohrung des Antriebsgehäuses der Verdrängungsseite der Förderkolben gegenüberliegend begrenzenden Ventilplatte hin gerichtet. Die Ventilplatte weist zwei gegensinnig schließende Rückschlagventile auf, über welche die Zylinderbohrung einerseits mit einer Saugkammer des Verdichters und andererseits mit einer Förderkammer des Verdichters verbunden ist.

Die Förderkolben werden durch eine im Antriebsgehäuse drehende und in ihrem Anstellwinkel verstellbare Taumelscheibe angetrieben. Die Taumelscheibe wird dabei über eine zugehörige Achse, eine auf der Achse sitzende Riemenscheibe und den Riementrieb eines Antriebsaggregates des Kraftfahrzeugs angetrieben. Das Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters bildet im Drehbereich der Taumelscheibe einen mit der der Verdrängungsseite der Förderkolben abgewandten Rückseite in Verbindung stehenden, hermetisch abgedichteten Hohlraum, in welchem ein Antriebsgehäusedruck p_C wirkt. Bei gleich bleibender Verdrängungsendstellung der Kolben kann über die Veränderung des Anstellwinkels der Taumelscheibe die Ansaugendstellung der Kolben eingestellt werden. Dadurch ist die Förderleistung des Kältemittelverdichters veränderbar.

Eine Veränderung des Anstellwinkels der Taumelscheibe erfolgt durch Einstellung des auf die Rückseiten der Kolben wirkenden Antriebsgehäusedrucks p_C. Dazu ist der Hohlraum des Antriebsgehäuses über zwei Steuerleitungen einerseits mit einer einen Förderdruck p_D aufweisenden Förderkammer und andererseits mit einer einen Saugdruck p_S aufweisenden Ansaugkammer des Kältemittelverdichters verbunden, wobei diese Leitungen über ein Steuerungsventil des Kältemittelverdichters steuerbar sind. Dabei weist das Steuerungsventil einen auf beide Steuerungsleitungen wirkenden Steuerkörper auf, der elektromagnetisch angetrieben wird, so dass über eine zugehörige Steuerung beispielsweise eine entgegen einer Federkraft wirkende Magnetkraft und darüber eine Steuerstellung des Steuerkörpers einstellbar ist.

Beim Steuerungsventil und/oder Kältemittelverdichter sind dabei sowohl die förderseitige als auch die saugseitige Steuerleitung gesteuert drosselbar beziehungsweise absperrbar. Dadurch kann während des Betriebes des Verdichters die saugseitige Steuerleitung verschlossen oder stark gedrosselt werden, so dass der Bypassstrom herkömmlicher Steuerungsventile und Kältemittelverdichteren, der an der unveränderbar gedrosselten saugseitigen Steuerleitung vom Antriebsgehäuse zur Saugkammer abgeführt wird, zur Verbesserung der Kälteleistung stark verringert, beziehungsweise vermieden ist.

Da eine Ansteuerung eines die saugseitige Steuerungsleitung sperrenden, insbesondere aber eines diese gezielt drosselnden Steuerungzustandes mit einem ausschließlich elektromagnetisch angetriebenen Steuerkörper insbesondere in Ermangelung erfasster Zustandsgrößen des Kältemittelkreislaufs nur schwer steuerbar ist, weist das vorliegende Steuerungsventil beziehungsweise der Kältemittelverdichter einen Steuerkörper auf, welcher durch eine Druckdose angetrieben ist. Eine derartige Druckdose ermöglicht den Antrieb des Steuerkörpers in Abhängigkeit von am Kältemittelverdichter oder am Kältemittelkreislauf auftretenden Druckgrößen beziehungsweise Druckdifferenzen, so dass bestimmte Betriebsdruckzustände des Kältemittelverdichters direkt in die Ansteuerung des Steuerkörpers einfließen können. Da die elektromagnetische Ansteuerung des Steuerkörpers in Abhängigkeit der vorliegenden Messstellen der zugehörigen Steuerung, beispielsweise auch nur in Abhängigkeit von sekundären Messgrößen wie beispielsweise einer Verdampferausströmtemperatur, geregelt werden, ermöglicht die Druckdose eine Verbesserung des Steuerungsventils durch Berücksichtigung direkter Zustandsgrößen am Kältemittelverdichter.

Bei einer Ausführungsform des Steuerungsventils ist eine Druckdose zum Antrieb des Steuerkörpers vorgesehen, welche die Druckdifferenz von atmosphärischem Druck p_A der Fahrzeugumgebung und Saugdruck p_S überwacht. Dadurch kann in Abhängigkeit eines Sollsaugdrucks die Ansteuerung des Steuerkörpers zum wechselseitigen Öffnen der förderseitigen Steuerleitung zum Verringern der Förderleistung bei zu geringem Saugdruck und der saugseitigen Steuerleitung zur Erhöhung der Förderleistung des Kältemittelverdichters bei zu hohem Saugdruck erfolgen. Durch die direkte Erfassung des Saugdruckes der Kälteanlage und eine saugdruckabhängige Ansteuerung des Kältemittelverdichters werden insbesondere Kälteleistungsverluste und -schwankungen, die beispielsweise bei einer verdampfertemperaturabhängigen Steuerung auftreten können, vermieden.

Zur besonders effektiven Ansteuerung des die beiden Steuerleitungen steuernden Steuerkörpers erfolgt bei einer besonderen Ausgestaltung des Steuerungsventils und/oder des Kältemittelverdichters die magnetische Wirkumsetzung der den Steuerkörper steuernden Magnetspule direkt am Steuerkörper beziehungsweise einem am Steuerkörper befestigten Anker. Dadurch kann die Kraft der elektromagnetischen Wirkung der Spule am Steuerkörper des Steuerungsventils direkt wirken und kann bei gegebenen Kraftwegeverhältnissen am Steuerungskörper beispielsweise zur drosselnden Steuerung einer zugehörigen Öffnung besonders vorteilhaft als Steuergrößenkomponente berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere bei einer kombinierten Ansteuerung des Steuerungskörpers unter Zuhilfenahme verschiedener kraftbeaufschlagender Elemente, wie beispielsweise Federn oder Druckdosen von Vorteil. Dabei kann über die Ansteuerung der elektromagnetischen Spule ein Eingriff in das Kräftegleichgewicht am Steuerkörper zwischen federnden Elementen, Druckaufnehmer beziehungsweise Druckdose und Magnetwirkung erfolgen. Dadurch ist ein unterschiedlicher Betriebspunkt des Steuerungsventils, also ein veränderlicher Sollsaugdruck einstellbar, so dass wiederum eine veränderbare Grundkälteleistung des Verdichters steuerbar ist.

Bei einer Ausführungsform des Steuerungsventils beziehungsweise des Kältemittelverdichters ist vorgesehen, dass bei ungestörtem Betrieb und Zustand der zugehörigen Kälteanlage der Steuerkörper bei Abschalten des Kälteanlagenbetriebs eine Ruhestellung einnimmt in welcher die saugseitige Steuerleitung gesperrt ist. Dies kann durch entsprechende Abstimmung der beteiligten Feder- beziehungsweise Antriebs- und Schaltelemente erreicht werden, wobei vorzugsweise in diesem Zustand das Steuerungsventil und die zugehörige Steuerung stromlos ist. Durch die Sperrung der saugseitigen Steuerleitung des Steuerungsventils wird während des Stillstands der Kälteanlage ein Ablagern von Kältemittelkondensat im Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters verringert, beziehungsweise vermieden, so dass bei erneutem Start des Kältemittelverdichters nach längerem Stillstand der Kälteanlage eine verbesserte Startkälteleistung erreicht ist.

Eine besondere Ausgestaltung des Steuerungsventils sieht vor, dass die Druckdose den Steuerkörper bei Absenken des Saugdrucks unter einen zugehörigen Minimalbetriebswert in eine die förderseitige Steuerleitung freigebende Stellung bringt. Dadurch wird erreicht, dass beispielsweise bei Undichtigkeiten des Kältemittelkreislaufs nicht über eine durch Nachregeln der Kälteleistungssteuerung hervorgerufene Beschädigung des Kältemittelverdichters bei zu stark angestellter Taumelscheibe erfolgt, sondern dass durch Freischalten der förderseitigen Steuerleitung die Taumelscheibe in Neutralstellung gebracht und auf diese Weise Beschädigungen vermieden werden.

Bei einer Ausführungsform des Steuerventils und/oder des Verdichters ist vorgesehen, dass der Steuerkörper in einer Steuerstellung beide Steuerungsleitungen gleichzeitig absperrt. Es kann somit neben einem die förderseitige Steuerleitung freigebenden und somit die Förderleitung senkenden Steuerbetriebszustand, sowie einem die saugseitige Steuerleitung freigebenden und somit die Förderleistung des Kältemittelverdichters erhöhenden Steuerungsbetrieb ein Haltebetriebszustand angesteuert werden, in welchem sowohl die saugseitige als auch die förderseitige Steuerleitung gesperrt ist, und somit die eingestellte Förderleistung ohne weitere Steuereingriffe, sowie ohne die Förderleistung senkenden Beipassstrom des Kältemittels über die Steuerleitungen gehalten werden kann. Ausgehend vom Steuerzustand mit beidseitig geschlossenen Steuerleitungen kann beispielsweise auch ein Haltebetriebszustand angesteuert werden, bei dem bei geschlossener förderseitiger Steuerleitung eine stark angedrosselte saugseitige Steuerleitung geöffnet wird, die dann nicht einen Bypassstrom der gesteuerten förderseitigen Steuerleitung abführt, sondern nur die an den Kolben auftretenden Leckagen beim Verdichten ausgleicht.

Um einen besonders einfach ansteuerbaren und funktionssicheren Betrieb des Steuerungsventils und/oder des Kältemittelverdichters sicherzustellen, ist bei einer Ausführungsform des Steuerungsventils beziehungsweise des Verdichters vorgesehen, dass der Steuerköper über eine Zwischenstellung hinweg zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, wobei in einer ersten Endstellung die förderseitige Steuerleitung gesperrt ist, in der Zwischenstellung beide Steuerleitungen gesperrt sind und in einer zweiten Endstellung die saugseitige Steuerleitung gesperrt ist. Dadurch ist es ermöglicht, eine Betriebsgrundstellung vorzusehen, in welcher beide Steuerleitungen sowohl förderseitig als auch saugseitig gesperrt sind, beziehungsweise bei gesperrter förderseitiger Steuerleitung die saugseitige Steuerleitung stark angedrosselt ist, von der aus die beiden in ihrer Wirkung einander Entgegengerichteten Steuereingriffe zum Erhöhen beziehungsweise Senken der Förderleistung des Kältemittelverdichters aus der Betriebsgrundstellung des Steuerkörpers heraus in einander gegensinnig gerichteten Bewegungen ansteuerbar sind. Dadurch entfällt beispielsweise ein Überfahren eines gegensinnigen Steuerzustandes zur Ansteuerung eines gewollten Steuerzustandes aus der Betriebsgrundstellung heraus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuerungsventils beziehungsweise des Kältemittelverdichters ergeben sich aus Kombinationen oben genannter Ausführungsformen, beziehungsweise aus dem Zeichnungen und ihrer Beschreibung.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Steuerungsventils beziehungsweise das eines zugehörigen Kältemittelverdichters.
Dabei zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Kältemittelverdichters mit zugehörigem Steuerungsventil,
2 ein Steuerungsventil in förderseitig geöffneter Steuerstellung,
3 ein Steuerungsventil in einer Steuerungsstellung mit beidseitig geschlossener Steuerleitung, sowie
4 ein Steuerungsventil mit saugseitig freigegebener Steuerleitung.
1 zeigt einen Kältemittelverdichter eines Kraftfahrzeugs 1, welcher über eine im Riementrieb des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs eingebundene Riemenscheibe 12 angetrieben ist. Die Antriebsleistung wird über die Riemenscheibe 12 und eine Antriebswelle 13, welche gedichtet in einem hermetisch verschlossenen Antriebsgehäuse 10 des Kältemittelverdichters 1 angeordnet ist an eine drehfest mit der Antriebswelle 13 verbundene Taumelscheibe 14 übertragen. Im Antriebsgehäuse 10 sind mit der Taumelscheibe 14 in Eingriff stehende Kolben 11 vorgesehen, welche in einem zugehörigen Zylinder eine alternierende Hubbewegung ausführen. Von den mehreren auf dem Umfang verteilten Kolben 11 ist in der Zeichnung nur einer dargestellt. Die sich drehende Taumelscheibe 14 bewirkt dabei den Antrieb der Kolben 11 in der Hubbewegung. Während der die Verdrängungsbewegung der Kolben beendende Totpunkt in einer unveränderbaren Position des Kolbens erfolgt, ist der Entgegengesetzte, die Ansaugbewegung beendende Totpunkt der Hubbewegung der Kolben variabel. Der die Ansaugbewegung beendende Todpunkt der Hubbewegung ist durch ein Kräftegleichgewicht zwischen dem im Antriebsgehäuse herrschenden Druck p_C, welcher auf die der Förderseite der Kolben 11 Entgegengesetzte Rückseite wirkt, und den bei der Ansaugbewegung auf der Förderseite wirkenden Druck bestimmt. Durch Variation des im Hohlraum des Antriebsgehäuse 10 herrschenden Drucks p_C kann somit die Taumelscheibe 14 zwischen einem Anstellwinkel maximaler Förderleistung bei einem sehr geringen Antriebsgehäusedruck p_C bis hin zu einem die Taumelscheibe vollständig flachstellenden und die Förderleistung auf Null reduzierenden Anstellwinkel verändert werden. Durch die Hubbewegung der Kolben 11 fördert der Kältemittelverdichter 1 an der Sauleitung 4 des Kältemittelkreislaufs angesaugtes Kältemittel mit dann erhöhtem Druck zur Druckleitung 3 des Kältemittelkreislaufs. Die Saugleitung 4 ist am Kältemittelverdichter 1 an der Saugkammer 102 angeschlossen, aus der die Kolben 11 Kältemittel ansaugen. Die Druckleitung 3 des Kältemittelkreislaufs ist am Kältemittelverdichter 1 an der Förderkammer 101 angeschlossen, in welche die Kolben 11 das verdichtete Kältemittel fördern. Die Förderkolben 11 des Kältemittelverdichters sind über zwei die Förderrichtung bestimmende und wechselseitig sperrende Rückschlagventile mit der Saugkammer 102 einerseits und der Förderkammer 101 andererseits verbunden.
Die Einstellung der Förderleistung des Kältemittelverdichters 1 während des Förderbetriebs über den im Antriebsgehäuse 10 herrschenden Drucks p_C erfolgt über ein Steuerungsventil 2, welches den Druck p_C über Steuerung zweier Steuerleitungen 21 und 22 einstellt. Die förderseitige Steuerleitung 21 ist mit der den Förderdruck p_C aufweisenden Förderkammer 101, die saugseitige Steuerleitung 22 mit der den Saugdruck p_S aufweisenden Saugkammer 102 verbunden. Bei entsprechender Öffnung der Steuerleitungen durch den Steuerkörper 20 ist die Steuerleitung 21 über die Steuerkammer 211 und den Zuleitungsabschnitt 29 mit dem Hohlraum des Antriebsgehäuses 10 verbunden. Bei Öffnung der saugseitigen Steuerleitung 22 ist diese über die zugehörige Steuerkammer 221 und den Zuleitungsabschnitt 28 mit dem Hohlraum des Antriebsgehäuses 10 verbunden.
Zur gesteuerten Öffnung der beiden Steuerleitungen 21 und 22 weist das Steuerungsventil 2 einen Steuerkörper 20 auf, welcher bei Bewegung in der Steuerbohrung in den beiden die Hubbewegung des Steuerkörpers 20 begrenzenden Endstellungen des Steuerventils 2 die Steuerleitungen 21 und 22 wechselweise öffnet und in einer zwischen den Endstellungen angeordneten Zwischenstellung beide Steuerungsleitungen 21 und 22 verschließt, wobei der Steuerkörper 20 die Steuerleitungen jeweils gegen die zugehörige Steuerkammer abdichtet.
Der Steuerkörper 20 des Steuerungsventils 2 wird in der Steuerbohrung des Steuerungsventils 2 mittels einer auf den Anker 201 des Steuerkörpers 20 wirkenden Magnetspule 24 und andererseits durch eine federnd nachgiebige, im Innenraum mit Saugdruck p_S beaufschlagte Druckdose 23 angetrieben. Dabei bewirkt ausgehend von einer eingeregelten Förderleistung des Kältemittelverdichters 1 eine Erhöhung des durch die Spule 24 fließenden Stromes über die Erhöhung der zugehörigen Magnetkraft eine Bewegung des Steuerkörpers 20 in Richtung einer Freigabe der saugseitigen Steuerungsleitung 22, welche mit der den Saugdruck p_S aufweisenden Saugkammer 102 verbunden ist. Durch diese Bewegung wird die Steuerungsleitung 22 gegenüber der Steuerkammer 221 des Steuerungsventils 2 freigegeben und kann über den Zuleitungsabschnitt 28 der Steuerleitung den Antriebsgehäusedruck p_C verringern. Durch Verringerung des Antriebsgehäusedrucks werden im Ansaugzustand der Förderkolben 11 diese verstärkt ausgerückt, so dass eine vergrößerte Kältemittelmenge angesaugt und gefördert werden kann. Die Förderleistung des Kältemittelverdichters 1 wird somit vergrößert. Den gleichen Effekt wie eine Erhöhung des die Spule 24 durchfließenden Stromes erzielt eine Veränderung des Saugdrucks p_S in der Saugkammer 102 bei der der Druck p_S ansteigt. Die Druckdose 23 des Steuerungsventils 2, welche über eine Druckstange mit dem Steuerungskörper 20 verbunden ist, ist mit ihrem Innenraum über eine Zuleitung 27 mit der den Saugdruck p_S aufweisenden Saugkammer 102 des Kältemittelverdichters verbunden. Steigt der Saugdruck p_S an, erfolgt wie bei der Erhöhung des die Spule 24 durchfließenden Stromes eine Bewegung des Steuerkörpers in Richtung einer Öffnung der saugseitigen Steuerleitung. Wie beschrieben, erfolgt dadurch eine Erhöhung der Förderleistung des Kältemittelverdichters, welche wiederum ein Absinken des Saugdruckes p_S in der Saugkammer 102 nach sich zieht.
Eine Verringerung des die Magnetspule 24 durchfließenden Stromes und ein Absinken des Saugdruckes p_S in der Saugkammer 102 des Kältemittelverdichters bewirken beide eine gleichgerichtete Bewegung des Steuerkörpers 20 des Steuerungsventils 2 des Kältemittelverdichters bei welchem ausgehend von einem die beiden Steuerleitungen 21 und 22 sperrenden Steuerungszustand des Steuerungsventils der Steuerkörper 20 in Richtung einer Öffnung der förderseitigen Steuerleitung 21 bewegt wird. Durch Absinken des Saugdrucks p_S und ein dadurch bewirktes Zusammenziehen der Druckdose 23 und/oder ein Verringern des Stromes der Steuerspule 24 des Steuerungsventils 2 wird somit die mit der den Förderdruck p_D aufweisenden Förderkammer 101 verbundene Steuerleitung 21 geöffnet, so dass über die Steuerkammer 211 des Steuerungsventils 2, sowie die daran angeschlossene Zuleitung 29 der Steuerleitung der Antriebsgehäusedruck p_C im Antriebsgehäuse 10 des Kältemittelverdichters 1 erhöht wird. Dadurch wird eine geringere Kältemittelmenge angesaugt, so dass sich der Saugdruck p_S des Kältemittelverdichters erhöht.
Wird die Kältemittelanlage ausgeschaltet, erfolgt ein Abschalten des Stromes an der Magnetspule 24, wodurch sich unter Zuhilfenahme der federnden Wirkung der Druckdose 23 und einer eventuell vorhandenen zusätzlichen Feder der Steuerkörper 20 in eine die förderseitige Steuerungsleitung 21 freigebende und die saugseitige Steuerungsleitung 22 sperrende Stellung bewegt wird. Dadurch wird bei über einen längeren Zeitraum abgestelltem Fahrzeug die Kältemittelkondensatbildung im Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters durch Sperrung der saugseitigen Steuerungsleitung 22 unterbunden. In der förderseitigen Steuerleitung 21 ist gängigerweise in der Darstellung nicht gezeigtes Rückschlagventil vorgesehen.
Da im Betrieb der Kältemittelanlage beispielsweise durch veränderte Belüftungstemperaturen am Verdampfer wechselhafte Betriebszustände im Kältekreislauf auftreten können kann die vorliegende gekoppelte Steuerung des Steuerkörpers – durch die Druckdose einerseits und die Magnetspule andererseits schwingungsarm und gut steuerbar betrieben werden.
Bei einer konstanten Anregung der Magnetspule 24 kann somit über die zusätzlich am Steuerkörper 20 angekoppelte Druckdose 23 ein Sollsaugdruck eingeregelt werden. Erhöht sich der Saugdruck p_S beispielsweise durch stärkere thermische Belastung des Verdampfers im Kältemittelkreislauf wird durch die Druckdose 23 der Steuerkörper 20 in eine die saugseitige Steuerleitung 22 freigebende Steuerstellung gebracht, so dass in Folge dessen der Antriebsgehäusedruck p_C verringert, der Anstellwinkel der Steuerscheibe 14 und damit die Förderleistung des Verdichters – zum Ausgleich der erhöhten thermischen Belastung – erhöht werden. Durch die erhöhte Förderleistung sinkt wiederum der Saugdruck p_S, bis das Niveau des Sollsaugdruckes erreicht ist und über die auf den Steuerkörper 20 wirkende Druckdose 23 die saugseitige Steuerleitung 22 wieder geschlossen wird. Bei einer Verringerung des Saugdruckes p_S erfolgt eine genau inverse Wirkungsweise durch die von der Druckdose 23 bewirkte Freigabe der förderseitigen Steuerleitung 21. Der Regelkreis des vorgeschlagenen Steuerventils 2 beziehungsweise Kältemittelverdichters 1 ist klein und dadurch besonders stabil, so dass durch den den Saugdruck nachregelnden Steuereingriff der Druckdose 23 am Steuerungskörper 20 Regelschwingungen des Kältekreislaufs unterbunden werden. Wechselnde thermische und antriebsbedingte Belastungen des Kältekreislaufs werden unmittelbar erfasst und nachgeregelt. Über die vorteilhafterweise stark bedämpft veränderliche Anregung der Magnetspule 24 ist am Steuerungsventil 2 eine Grundkälteleitung von außen einstellbar.
Die 2 bis 4 zeigen eine konzeptionelle Darstellung einer Ausführungsform des Steuerungsventils 2 eines Kältemittelverdichters 1 eines Kraftfahrzeugs in verschiedenen Steuerungsstellungen. Das Steuerungsventil ist in Bezug auf die Bauteile und deren steuerungsunabhängiger Anordnung in allen Fällen gleich, so dass Beschreibungen entsprechender Gegenstände und Sachverhalte bei Einzelfiguren ebenso für die anderen Figuren gelten.
Das in 2 dargestellte Steuerungsventil 2 weist in einem Gehäuse einen Steuerkörper 20 auf, welcher mit seinem zylindrischen Querschnitt innerhalb einer darauf abgestimmten zylindrischen Steuerbohrung des Steuerungsventils 2 bewegbar angeordnet ist. Der Steuerkörper 20 weist dabei Teilkörper verschiedener Durchmesser auf. An der Steuerbohrung des Steuerungsventils 2 sind einerseits eine mit der den Förderdruck p_D aufweisenden Förderseite verbundene Steuerleitung 21, eine mit der den Saugdruck p_S aufweisenden Saugseite verbundene Steuerleitung 22, sowie die Zuleitungsabschnitte 28 und 29 der Steuerungsleitungen zum Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters angeschlossen. Der zentrale Sperrkörper des Steuerkörpers 20 gliedert durch vollständig umlaufendes dichtendes Anliegen an der äußeren Wand der zylindrischen Steuerbohrung diese Steuerbohrung in einen förderseitigen Steuerraum 211 sowie einen saugseitigen Steuerraum 221. Diese sind jeweils mit den zugehörigen antriebsgehäuseseitig verbundenen Steuerleitungsabschnitten 28 und 29 verbunden. Alternativ kann der Steuerkörper 20 auch in zwei in axialer Richtung nebeneinander liegende Sperrkörper gegliedert sein, die durch eine gegenüber den beiden Sperrkörpern in radialer Richtung verengte Druckstange verbunden sind, wobei die Druckstange eine zentrale Steuerkammer freigibt, die seitlich von den Sperrkörpern begrenzt ist. Die Sperrkörper geben wechselweise die beiden Steuerleitungen gegenüber der zentralen Steuerkammer frei, die über einen Zuleitungsabschnitt mit dem Hohlraum des Antriebsgehäuses verbunden ist.
Am Ventilgehäuse ist im Bereich der Steuerbohrung innenliegend eine elektromagnetisch betreibbare Steuerspule 24 angeordnet. Diese wirkt magnetisch auf einen zugeordneten Anker 201 des Steuerkörpers 20. Der Steuerkörper 201 ist die Steuerbohrung in radialer Richtung im Wesentlichen ausfüllend an der Mittelöffnung der Spule 24 angeordnet. Der Anker 201 ist über einen als Ankerverbindungsstange 202 radial verkleinerten, die dortige Steuerkammer 211 freisparenden Bereich des Steuerkörpers 20 mit dem zentralen Störkörper verbunden. In der Innenöffnung der Spule 24 befindet sich eine Spiralfeder 25, welche den Steuerkörper 20 entgegen der magnetischen Anzugsrichtung abstützt. Eine Anregung der Spule 24 bewirkt durch die magnetische Wirkung ein Anziehen des Ankers 201 des Steuerkörpers 20, so dass dieser durch Erhöhen des Stromes in der Spule 24 mit seinem zentralen Sperrkörper in Richtung der förderseitigen Steuerleitung 21 bewegt wird.
Auf der dem Anker gegenüberliegenden Seite weist der Steuerkörper 20 einen wiederum als Verbindungsstange 203 in radialer Richtung verkleinert ausgeführten Teilbereich auf, welcher gedichtet durch eine zugehörige Bohrung des Gehäuses des Steuerungsventils bis zu einer Druckdosenkammer 261 durchgeführt und mit einer Druckdose 23 verbunden ist. Die Druckdosenkammer 261 ist über eine Zuleitung 26 mit atmosphärischem Druck aufweisender Fahrzeugumgebung verbunden. In der Druckdosenkammer 261 ist die federnd ausgeführte Druckdose 23 angeordnet, welche mit ihrem Innenraum gegenüber der Druckdosenkammer hermetisch dicht ausgeführt ist, und mit ihrem Innenraum über die Zuleitung 27 an die den Saugdruck p_S aufweisende Saugseite des Kältemittelsverdichters angeschlossen ist. Eine Steigerung des Saugdruckes p_S bewirkt somit ein Verschieben des Sperrkörpers des Steuerkörpers 20 in Richtung der förderseitigen Steuerleitung 21. Eine Verringerung des Saugdruckes p_S bewirkt eine Entgegengesetzte Bewegung des Steuerkörpers 20 in Richtung der saugseitigen Steuerleitung 22.
2 zeigt einen Steuerzustand des Steuerungsventils 2, in welchem der zentrale Sperrkörper 20 die förderseitige Steuerleitung 21 über die förderseitige Steuerkammer 211 mit dem mit dem Antriebsgehäuse des Verdichters verbundenen Steuerleitungsabschnitt 29. Der zentrale Sperrkörper des Steuerkörpers 20 sperrt dabei die saugseitige Steuerleitung 22 gegenüber dem Antriebsgehäuse des Verdichters ab. Diese Steuerungstellung wird insbesondere in zwei Betriebsfällen des Kältemittelverdichters eingenommen. Einerseits ist dies bei ausgeschalteter Kälteanlage, also in einem Ruhebetriebszustand der Fall, andererseits bei der Ansteuerung einer Förderleistungsverringerung am Kältemittelverdichter.
Im ersten Fall bewirkt die stromlose Spule 24 des Steuerungsventils 2, dass an dieser Stelle keine den Steuerkörper 20 in Richtung der förderseitigen Steuerleitung 21 bewegende Kraft am Steuerkörper 20 eingeleitet wird. Die federnde Wirkung der Druckdose 23 beziehungsweise im vorliegenden Fall unterstützt von der Feder 25 bewirkt dabei entgegen dem in der Druckdose 23 anliegenden Ruhesaugdruck auf der Saugseite des Kältemittelkreislaufs die Einnahme der gezeigten Steuerstellung des Steuerkörpers 20 im Steuerungsventil 2. Dabei ist die förderseitige Steuerleitung 21 über die Steuerkammer 211 und den Steuerleitungsabschnitt 29 mit dem Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters verbunden. Dies bewirkt bei auslaufender Kältemaschine ein Anstellen der Taumelscheibe in Richtung minimaler Förderleistung, also in Richtung neutraler Position, wodurch das Schleppmoment im Offbetrieb und bei Neustart des Antriebsaggregates verringert wird. Die saugseitige Steuerleitung ist durch den zentralen Sperrkörper des Steuerkörpers 20 dichtend gegenüber dem Antriebsgehäuse des Verdichters verschlossen, so dass bei länger ruhendem Kältekreislauf das Eindringen von kondensierendem Kältemittel über die offene saugseitige Steuerleitung vermieden ist.
Im zweiten Betriebsfall, in dem die in 2 gezeigte Steuerstellung des Steuerkörpers 20 im Steuerungsventil 2 eingenommen wird, ist ein die Kältemittelförderungsleistung des Kältemittelverdichters 1 reduzierender Steuerzustand des Steuerungsventils 2. Am Steuerungsventil 2 wird im Allgemeinen, also auch in anderen Steuerungsbetriebszuständen über die Spule 24 eine Grundleistung des Kältemittelverdichters über die Anregung der Spule eingestellt. Dadurch wird der Steuerkörper 20 zunächst in Richtung der förderseitigen Steuerleitung 21 bewegt. Die Fördertätigkeit des Kältemittelverdichters bewirkt dabei ein Absenken des Saugdrucks p_S. Wird nun im Bereich der über die Spule 24 von der Steuerung der Klimaanlage vorgegebenen Grundförderleistung des Kältemittelverdichters die Förderleitung zu hoch, senkt sich der Saugdruck p_S an der Ansaugseite des Verdichters und bewirkt über die mit der Saugseite verbundene Zuleitung 27 ein Absenken des Drucks in der Druckdose 23. Durch Senken des Drucks in der Druckdose 23 wird über die Verbindungsstange 203 der Steuerkörper 20 in Richtung der saugseitigen Steuerleitung 22 bewegt, so dass bei gesperrter saugseitiger Steuerleitung 22 die förderseitige Steuerleitung 21 freigegeben wird. Dadurch erfolgt eine Beaufschlagung des Antriebsgehäuses des Kältemittelverdichters mit über den förderseitigen Druck p_D erhöhten Druck, so dass der Druck p_C im Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters steigt und die Taumelscheibe in einem flacheren die Kältemittelförderungsleistung verringernden Anstellwinkel eingestellt wird.
Die in 3 gezeigte Steuerstellung des Steuerungsventils 2 kann ähnlich der in 2 gezeigten Steuerstellung ebenso als Ruhestellung des Steuerungsventils vorgesehen sein, wobei in diesem Fall sowohl die förderseitige Steuerungsleitung 21 als auch die saugseitige Steuerungsleitung 22 gesperrt sind.
Ansonsten wird die in 3 dargestellte Steuerstellung des Steuerungsventils 2 eingenommen, wenn die Förderleistung des Kältemittelverdichters mit der von der Steuerung der Kälteanlage vorgesehenen Grundförderleistung übereinstimmt. Dabei bewirkt die zur Kraftrichtung der Magnetkraft der Spule 24 gleichgerichtete Kraft des Saugdruckes p_S in der Druckdose 23 die Einnahme der gezeigten Stellung des Steuerkörpers 20 in der Steuerbohrung des Steuerungsventils 2, wobei sowohl die förderseitige Steuerleitung 21 als auch die saugseitige Steuerleitung 22 gegenüber den zugehörigen Steuerkammern 211 und 221 beziehungsweise die daran angeschlossenen und mit den Antriebsgehäuse 10 des Kältemittelverdichters 1 verbundenen Steuerleitungsabschnitt 28 und 29 gesperrt sind. Die gleichgerichteten Kräfte der magnetischen Wirkung der Spule 24 auf den Anker 201 und des in der Druckdose 23 gegenüber den in der Druckdosenkammer 261 herrschenden atmosphärischen Drucks wirkenden Saugdruck p_S stehen im gezeigten Steuerungszustand des Steuerungsventils 2 im Gleichgewicht mit den zur entsprechenden Verformung der Druckdose 23 notwendigen Federungskräfte beziehungsweise einer zusätzlichen zur Verformung der Spiralfeder 25 erforderlichen Federkraft.
Der in 4 gezeigte Steuerungszustand des Steuerungsventils 2 bewirkt eine Erhöhung der Förderleistung des Kältemittelverdichters, welche beispielsweise durch eine Erhöhung der Anforderung an die Grundkälteleistung über die Steuerung des Kältekreislaufs – angesteuert über erhöhten Strom an der Spule 24 erfolgen kann oder bei einer unverändert angesteuerten Grundkälteleistung über einen am Kältemittelverdichter anliegenden erhöhten Saugdruck p_S der auf die Druckdose 23 wirkt. Durch den auf die Druckdose 23 wirkenden erhöhten Saugdruck p_S und/oder die auf den Anker 201 des Steuerkörpers 20 wirkende erhöhte Magnetkraft erfolgt eine Verschiebung des Steuerkörpers 20 entgegen der Federkräfte der Druckdose 23 und gegebenenfalls einer zusätzlichen Feder 25 in Richtung der förderseitigen Steuerleitung 21, so dass der Sperrkörper des Steuerkörpers 20 die förderseitige Steuerleitung 21 gegenüber der zugehörigen Steuerkammer 211 und dem dortigen mit dem Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters verbundenen Steuerleitungsabschnitt 29 dichtend absperrt. Dabei wird die saugseitige Steuerleitung 22 gegenüber der zugehörigen Steuerkammer 221 geöffnet, so dass über den an der Steuerkammer 221 angeschlossenen Steuerleitungsabschnitt 28 der Antriebsgehäusedruck p_C im Antriebsgehäuse des Kältemittelverdichters verringert wird. Dadurch erfolgt ein stärkeres Anstellen der Taumelscheibe und somit eine Erhöhung der Förderleistung des Kältemittelverdichters.
Die in den 2 bis 4 dargestellten Steuerstellungen des Steuerungsventils 2 können während des Betriebs des Kältemittelverdichters durch unterschiedliche Wirkungen abwechselnd eingenommen werden. Bei gleich bleibendem auf die Druckdose 23 wirkendem Saugdruck wird eine Verschiebung des Steuerkörpers 20 bei Erhöhung des Stromes der Spule 24 in Richtung einer Sperrung der förderseitigen Steuerungsleitung und bei Verringerung des Stromes der Spule 24 in Richtung einer Sperrung der saugseitigen Steuerungsleitung bewirkt. Andererseits erfolgt eine Verschiebung des Steuerkörpers 20 im Steuerungsventil 2 durch veränderten Saugdruck p_S, welcher über die Druckdose 23 den Steuerkörper 20 bewegt. Eine Veränderung von Saugdruck p_S, der im Innenraum der Druckdose 23 anliegt, und/oder Magnetkraft der Spule 24 auf den Anker 201 bewirkt eine veränderte Kraft im Kräftegleichgewicht von Magnetkraft, Federkräften von Spiralfeder 25 und Druckdose 23 sowie Druckdosenkraft durch die dort anliegenden Differenzdrücke. Durch eine solche Veränderung wird bis zum Einstellen eines neuen Kräftegleichgewichts eine veränderte Lage des Sperrkörpers 204 des Steuerkörpers 20 bewirkt.
Der mit der Lageveränderung einhergehende Steuereingriff am Steuerungsventil 2 bewirkt eine Veränderung der Kälteleistung des Kältemittelverdichters und dadurch eine Saugdruckveränderung, die über die Druckdose eine den Steuereingriff entgegenwirkende und somit den Steuerkörper 20 erneut in Haltesteuerstellung bringende Wirkung hat. Somit wird bei Erhöhung des Saugdruckes p_S in der Druckdose über die Druckstange 203 der Sperrkörper in Richtung einer Freigabe der saugseitigen Förderleitung 22 erreicht, so dass durch die damit verbundene Verringerung des Antriebsgehäusedrucks p_C im Kältemittelverdichter eine Erhöhung der Förderleitung des Kältemittelverdichters erfolgt und somit der Saugdruck p_S wieder sinkt und damit über zugehöriges Absinken der Druckkraft der Druckdose ein Sperren der saugseitigen Steuerleitung 22 und somit keine weitere Erhöhung der Förderleitung des Kältemittelverdichters erfolgt. Bei Verringerung des Saugdruckes p_S erfolgt eine gegenläufige Wirkweise, so dass durch Verringerung der Druckkraft der Druckdose 23 am Steuerkörper 20 ein Verschieben des Sperrkörpers 204 in Richtung einer Freigabe der förderseitigen Steuerleitung 21 erfolgt und somit durch die damit verbundene Erhöhung des Antriebsgehäusedrucks p_C eine Verringerung der Kälteleistung und damit eine Erhöhung des Saugdrucks p_S und dadurch wiederum eine Erhöhung der Druckkraft der Druckdose 23 erfolgt, so dass die förderseitige Steuerleitung 21 wieder geschlossen wird.
Eine entsprechend veränderte Bestromung der Spule 24 bewirkt eine veränderte Magnetkraft auf den Anker 201 des Steuerkörpers 20. Am Steuerkörper 20 herrscht jeweils ein Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetkraft den Federungskräften von Spiralfeder 25 und Druckdose 23 sowie der an der Druckdose durch die an den beiden Seiten von deren Wirkfläche wirkenden unterschiedlich hohen Drücken. Die Kräfte werden dabei vom Anker 201 über die Verbindungsstange 202 auf den zentralen Sperrkörper 204 des Steuerkörpers 20 und über die Druckstange 203 auf die die Wirkfläche der Druckdose 23 aufweisende Vorderseite der Druckdose übertragen. Eine veränderte Magnetkraft bewirkt somit die Einnahme der mittleren Haltstellung des Steuerkörpers bei einer entsprechend der Veränderung der Magnetkraft veränderten Kraft der Druckdose 23 und somit bei einem entsprechend deren Wirkfläche veränderten Saugdruck. Somit kann durch Ansteuerung der Magnetspule 24 der Sollsaugdruck verändert werden, bei dem die Haltesteuerstellung des Steuerungsventils 2 eingenommen wird.
Über eine vorteilhafterweise stark gedämpfte Anregung der Spule 24 und die zugehörige Magnetkraft kann somit ein veränderlicher Betriebspunkt des Kältemittelverdichters eingestellt werden, wobei über die Druckdose 23 dieser Betriebspunkt in unmittelbarem Kräftegleichgewicht zwischen Magnetkraft beteiligten Federelementen und Kraft der Druckdose einen im Wesentlichen konstanten Saugdruck p_S zugehörig zum über die Magnetspule eingestellten Betriebspunkt, beziehungsweise veränderten Kräftegleichgewicht einregelt.

Claims

Steuerungsventil für einen Kältemittelverdichter zur Steuerung des Fördergrades des Kältemittelverdichters über Einstellung eines Antriebsgehäusedrucks p_C des Kältemittelverdichters, wobei ein Steuerkörper einerseits eine förderseitige Steuerleitung zwischen einer mit Hochdruck p_D des Verdichters beaufschlagten Ausgabekammer und dem Antriebsgehäuse des Verdichters und andererseits eine saugseitige Steuerleitung zwischen dem Antriebsgehäuse und einer mit Saugdruck p_S beaufschlagten Saugkammer des Verdichters veränderbar drosselnd und/oder absperrend steuert, wobei ein Steuerkörper des Steuerungsventils elektromagnetisch angetrieben ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkörper (20), der sowohl die förderseitige als auch die saugseitige Steuerleitung absperren kann, durch eine Druckdose (23) angetrieben ist.
Steuerungsventil nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdose (23) die Druckdifferenz von atmosphärischem Druck p_A der Fahrzeugumgebung und Saugdruck p_S überwacht.
Steuerungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Steuerkörpers (20) eine elektrisch betriebene Magnetspule (24) magnetisch auf den Steuerkörper (20) oder einen am Steuerkörper (20) befestigten Anker (201) einwirkt.
Steuerungsventil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der bei Abschalten des Kälteanlagenbetriebs bei ungestörtem Betrieb und Zustand der zugehörigen Kälteanlage das Steuerungsventil (2) in der Ruhestellung die saugseitige Steuerleitung (22) sperrt.
Steuerungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdose (23) den Steuerkörper (20) bei Absinken des Saugdrucks unter einen Minimalbetriebswert in eine die förderseitige Steuerleitung freigebende Stellung bringt.
Steuerungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Steuerkörper (20) beide Steuerungsleitungen (21; 22) gleichzeitig absperrbar sind.
Steuerungsventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkörper (20) über eine Zwischenstellung hinweg zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, wobei in einer ersten Endstellung die förderseitige Steuerleitung (21) gesperrt ist, in der Zwischenstellung beide Steuerleitungen (21; 22) gesperrt sind und in der zweiten Endstellung die saugseitige Steuerleitung (22) gesperrt ist.
Kältemittelverdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem Steuerungsventil zur Steuerung des Fördergrades des Kältemittelverdichters über Einstellung eines Antriebsgehäusedrucks pC des Kältemittelverdichters, wobei ein Steuerkörper einerseits eine förderseitige Steuerleitung zwischen einer mit Hochdruck pD des Verdichters beaufschlagten Ausgabekammer und dem Antriebsgehäuse des Verdichters und andererseits eine saugseitige Steuerleitung zwischen dem Antriebsgehäuse und einer mit Saugdruck pS beaufschlagten Saugkammer des Verdichters steuert, wobei ein Steuerkörper des Steuerungsventils elektromagnetisch angetrieben ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkörper (20), der sowohl die förderseitige als auch die saugseitige Steuerleitung absperren kann, durch eine Druckdose (23) angetrieben ist.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdose (23) die Druckdifferenz von atmosphärischem Druck p_A der Fahrzeugumgebung und Saugdruck p_S überwacht.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bei Abschalten des Kälteanlagenbetriebs bei ungestörtem Betrieb und Zustand der zugehörigen Kälteanlage das Steuerungsventil (2) in der Ruhestellung die saugseitige Steuerleitung (22) sperrt.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdose (23) den Steuerkörper (20) bei Absinken des Saugdrucks unter einen Minimalbetriebswert in eine die förderseitige Steuerleitung (22) freigebende Stellung bringt.