DE10214047A1

DE10214047A1 - Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage

Info

Publication number: DE10214047A1
Application number: DE10214047A
Authority: DE
Inventors: Christoph Loy; Heiko Droese; Klaus Gebauer; Thomas Reske; Harry Nissen; Thomas Kueppers; Dikran-Can Magzalci
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage mit einem geschlossenen CO¶2¶-Kältemittelkreislauf, mit einem Kompressorgehäuse, wenigstens einem in diesem ausgebildeten Kompressionsraum, einem in diesem hin- und herbewegbaren Hubkolben und wenigstens einem dem Kompressionsraum zugeordneten Ansaugventil und einem Auslaßventil sowie mit einem Antrieb für den Hubkolben. Sie löst die Aufgabe, einen Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage so zu gestalten, daß dessen Struktur aufwandsreduziert ist. Dazu weist der Kompressor als Antrieb einen Hin- und Herbewegungen ausführenden Linearmotor (2) mit veränderbarer Ansteuerfrequenz auf, an dessen Reaktionsteil (8) an der kompressorraumseitigen Stirnseite der Hubkolben (3) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, insbesondere mit Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel (R744-Kältemittel), mit einem an den Ausgang des Kompressors angeschlossenen Hochdruckabschnitt mit einem Kondensator, mit einem an die Eingangsseite des Kompressors angeschlossenen Niederdruckabschnitt mit einem Verdampfer und einem zwischen diesen angeordneten Expansionsventil.

In Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit CO₂ als einem umweltfreundlichen Kältemittel finden häufig Taumelscheiben-Kompressoren zur Kompression des von einem Verdampfer kommenden Kältemittels Anwendung, die das komprimierte, gasförmige CO₂ einem Kondensator zuführen. Diese Kompressoren sind üblicherweise so aufgebaut, daß die Antriebswelle, an der auch die Taumelscheibe schwenkbar angeordnet ist, durch das Gehäuse des Kompressors hindurchtritt und mittels eines Keilriemens an den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Somit ist die Umdrehungszahl der Antriebswelle durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmt. Die Leistung des Kompressors wird dabei über den Neigungswinkel der Taumelscheibe und damit über den Hub der mit dieser verbundenen Kolben geregelt, was wiederum über den Druck im Triebraum des Kompressors erfolgen kann. Die EP 0 978 652 A2 beschreibt einen Taumelscheiben-Kompressor, der wahlweise über einen Elektromotor oder über den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben werden kann. Auch bei diesem Kompressor tritt die Antriebswelle durch dessen Gehäuse hindurch. Der Nachteil einer durch das Gehäuse geführten Antriebswelle besteht darin, daß diese gegenüber dem Gehäuse aufwendig abgedichtet werden muß, um das im Gehäuse vorhandene CO₂-Öl- Gemisch zurückzuhalten.

Die Kälteleistung der Klimaanlage ist von der Außentemperatur und von der gewünschten Abkühlung abhängig und kann über einen leistungsanforderungsabhängigen, optimalen Hochdruck optimiert werden. Dabei wird angestrebt, die Klimaanlage in jedem Betriebszustand mit dem Hochdruck zu betreiben, in welchem das Optimum der Kälteleistung und das Optimum der Leistungszahl liegt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß dessen Struktur aufwandsreduziert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Kompressor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung besteht darin, daß der Antrieb für einen in dem Kompressionsraum des Kompressors angeordneten hin- und herbewegbaren Hubkolben ein Hin- und Herbewegungen ausführender Linearmotor mit veränderbarer Ansteuerfrequenz ist, wobei der Hubkolben an der kompressionsraumseitigen Stirnseite des Reaktionsteils des Linearmotors ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführung sind das dem Kompressionsraum zugeordnete Ansaugventil und das Auslaßventil direkt in dessen Wandung angeordnet. Diese Ventile können alternativ dazu jedoch auch in einer Vor- oder Nebenkammer angeordnet sein. Die Ansteuerfrequenz des Linearmotors und damit dessen Hubzahl je Zeiteinheit kann dabei elektronisch schnell und genau geregelt und an die Anforderungen an die Kälte- bzw. Wärmeleistung angepaßt werden.

Ein derartiger Kompressor ist einfach aufgebaut, besteht aus nur wenigen Bauteilen und ist kleinbauend. Lagerungs-, Schmierungs- und Dichtungsprobleme, insbesondere verursacht durch eine Antriebswelle, die aus dem Kompressorgehäuse geführt ist, treten nicht auf. Überdies ist das Druckniveau auf der Hochdruckseite absolut und relativ zur Niederdruckseite erheblich höher, so daß auch die Druckverhältnisse höher sind und im wesentlichen im Bereich zwischen 3/1 und 4/1 liegen. Auf der Hochdruckseite kann das Druckniveau etwa zwischen 80 und 160 bar und auf der Niederdruckseite etwa zwischen 20 und 60 bar liegen. Der Kompressor ist über die Ansteuerfrequenz des Linearmotors stufenlos regelbar, wobei eine Veränderung der Ansteuerfrequenz mit einer Veränderung der Hubzahl pro Zeiteinheit einhergeht, durch die wiederum die Kälteleistung der Klimaanlage verändert wird. Die Regelung der Ansteuerfrequenz kann auf einfache Weise schnell und genau elektronisch erfolgen.

Bei Ausbildung nur eines Kompressionsraumes im Kompressorgehäuse kann das Reaktionsteil an seiner kompressionsraumseitigen Stirnseite - und damit auch der Hubkolben - über eine Druckfeder am Kompressorgehäuse abgestützt sein. Diese Druckfeder würde dann einen Arbeitstakt des Linearmotors übernehmen, und somit könnten sowohl die Ansteuerung als auch die Bauweise des Linearmotors vereinfacht werden. Die Rückwärtsbewegung des Reaktionsteiles (Hubkolbens) wird dann durch Freisetzen der Federkraft der bei der Hinbewegung desselben unter Energieaufnahme gespannten Druckfeder verursacht.

Durch eine sog. Doppelhubbauweise kann eine Leistungssteigerung (-verdoppelung) erreicht oder der Linearmotor kann mit verminderter Ansteuerfrequenz betrieben werden, indem ein Arbeitshub bei gleicher Hubzahl/je Zeiteinheit eingespart wird, ohne daß der Massenstrom verringert wird. Dieser wird sowohl beim Hin- als auch beim Herbewegen des Hubkolbens gefördert. Die damit verbundene Erhöhung der Pulsfrequenz ist insofern von Vorteil, daß Druckspitzen vermieden werden und die Druckpulsationen in den Kältemittelleitungen geringer sind. Eine Doppelhubbauweise kann realisiert werden, indem beidseits des Linearmotors ein Kompressionsraum mit jeweils einem Ansaug- und einem Auslaßventil angeordnet wird, mit dem der Linearmotor mit jeweils einem Hubkolben in Wirkverbindung steht, derart, daß eine oszillierende Bewegung desselben mit einem wechselseitigen synchronen Ansaugen und Ausstoßen des CO₂-Kältemittels verbunden ist. Die Doppelhubbauweise kann aber auch dadurch realisiert werden, daß beidseits des Hubkolbens ein Kompressionsraum ausgebildet ist, derart, daß ein Kompressionsraum in der Bewegungsrichtung des Hubkolbens vor und der andere hinter dem Hubkolben ausgebildet ist und beide Kompressionsräume mit einem Ansaug- und einem Auslaßventil versehen sind. Bei beiden alternativen Lösungen in Doppelhubbauweise sind die zu den Ansaug- und zu den Auslaßventilen führenden Kältemittelleitungen außerhalb des Kompressors zusammengeführt und in den Kältemittelkreislauf eingebunden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung wird darin gesehen, daß in einem Kompressor mehrere parallelgeschaltete Linearmotoren und Kompressionsräume angeordnet sind. Auch dabei ist eine Doppelhubbauweise möglich. Mit einem derartigen Kompressor kann jegliche Anforderung an die Kälte- bzw. Wärmeleistung einer Klimaanlage erfüllt werden, so daß eine derartige Ausführung insbesondere bei Fahrzeugen mit großem Kälte- bzw. Wärmebedarf verwendet werden kann. Hierbei ist es von besonderem Vorteil - eingeschlossen die Doppelhubbauweise - wenn ein Linearmotor, ein Kompressionsraum und ein diesem zugeordneter Hubkolben ein Modul bilden und mehrere Module baukastenartig zusammengefügt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen, weitgehend schematisch:
Fig. 1 einen Kompressor mit einem Linearmotor im Schnitt,
Fig. 2 einen Kompressor in Doppelhubbauweise,
Fig. 3 eine andere Ausführung eines Kompressors in Doppelhubbauweise, schematisch, und
Fig. 4 eine Kompressoreinheit in Modulbauweise im Querschnitt.
Der in Fig. 1 gezeigte Kompressor für R744-Kältemittel weist im wesentlichen ein Gehäuse 1, einen in diesem fest angeordneten, Hin- und Herbewegungen ausführenden Linearmotor 2 mit veränderbarer Ansteuerfrequenz, an dem ein Hubkolben 3 angebracht ist, sowie einen Kompressionsraum 4 für das R744-Kältemittel, in den der Hubkolben 3 hineinragt, und ein Ansaugventil 5 (in der Darstellung geschlossen) und ein Ausstoßventil 6 (in der Darstellung geöffnet) in der dem Hubkolben 3 gegenüberliegenden Stirnwandung 7 des Gehäuses 1 auf. Der Hubkolben 3 ist an dem Reaktionsteil 8 des Linearmotors 1 befestigt, das in dessen axialer Richtung (Bewegungsrichtung) über eine Druckfeder 9 an einer Schulter 10 im Gehäuse 1 abgestützt ist, und in radialer Richtung gegenüber der Kompressionsraumwandung mit Ringdichtungen 11 abgedichtet. In Fig. 1 befindet sich der Hubkolben 3 in seinem ventilseitigen Totpunkt. Der den Ventilen abgewandte Totpunkt des Hubkolbens 3 ist gestrichelt angedeutet. An der Außenseite der Stirnwandung 7 sind im Bereich der Ventile 5 und 6 Anschlußmittel 12 für die Druckleitungen der Klimaanlage angeordnet. Das Verdichtungsverhältnis im Kompressionsraum beträgt 4/1.
Wird der Linearmotor 2 durch ein Einschalten der Klimaanlage in Betrieb genommen, so führt dieser unter Mitnahme des Hubkolbens 3 oszillierende Bewegungen aus. Bewegt sich das Reaktionsteil 8 von den Ventilen weg (in der Fig. 1 nach rechts, Ansaughub), so entsteht im Kompressionsraum 4 ein zunehmender "Unterdruck", der bei einer vorbestimmten Druckdifferenz von 2 bar zum Kältemitteldruck in der Ansaugleitung zum Öffnen des Ansaugventils 5 führt, wobei in der Ansaugleitung ein Niederdruck von etwa 30 bis 50 bar herrscht. Kältemittel strömt mit diesem Druck in den Kompressionsraum 4. Bei der sich anschließenden Bewegung des Reaktionsteils 8 auf die Ventile 5 und 6 zu schließt sich das Ansaugventil 5 selbsttätig, und das im Kompressionsraum 4 befindliche Kältemittel wird zunehmend komprimiert. Bei Erreichen einer vorbestimmten Druckdifferenz von 2 bar gegenüber dem Kältemitteldruck in der Kältemittel- Hochdruckleitung öffnet das Auslaßventil 6 selbsttätig, durch das nun das auf einen Druck von 100 bis 140 bar komprimierte Kältemittel in die zu dem Gaskühler der Klimaanlage führende Hochdruckleitung gedrückt wird. Nach Erreichen des Totpunktes und einer beginnenden, umgekehrten Bewegung des Reaktionsteils 8 und damit auch des Hubkolbens 3 schließt das Auslaßventil 6 infolge des sich aufbauenden "Unterdruckes" wieder, und der Vorgang beginnt von vorn. Die Betriebsspannung des Linearmotors kann 6 bis 60 V betragen. Durch eine Veränderung der Ansteuerfrequenz des Linearmotors und damit der Hubzahl pro Zeiteinheit, wird auf einfache Weise die Kompressorleistung und damit auch die Kälteleistung der Klimaanlage geregelt. Es sei erwähnt, daß die Fahrzeugklimaanlage auch als Wärmepumpe betrieben werden kann.
Der in Fig. 2 gezeigte Kompressor weist in seinem Gehäuse 1 beidseits des Reaktionsteils 8 des Linearmotors 2 jeweils einen Kompressionsraum 4.1 und 4.2 auf. Das Reaktionsteil 8 trägt an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen Hubkolben 3.1. bzw. 3.2, der in den jeweiligen Kompressionsraum 4.1 bzw. 4.2 hineinragt und gegenüber diesem durch Ringdichtungen 11 in radialer Richtung abgedichtet ist. Die Kompressionsräume 4.1 und 4.2 sind, wie bei der vorbeschriebenen Ausführung, in ihrer Stirnwandung 7.1, 7.2 mit jeweils einem Ansaugventil 5.1., 5.2 und einem Auslaßventil 6.1., 6.2 versehen. Die Kompressionsräume 4.1., 4.2 sind über jeweils einen Niederdruck-(Ansaug-) Leitungsabzweig 13.1, 13.2 und einen Hochdruck- Leitungsabzweig 14.1 und 14.2 in den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage eingebunden, wobei die Niederdruckleitung 13 mit dem Verdampfer und die Hochdruckleitung 14 mit dem Kondensator derselben verbunden ist.
Wird der Linearmotor 2 durch ein Einschalten der Klimaanlage in Betrieb genommen, so wird in beiden Kompressionsräumen 4.1 und 4.2 wechselseitig CO₂-Kältemittel verdichtet, wodurch bei gleicher Frequenz des Linearmotors 2 wie in der vorstehend beschriebenen Ausführung die Zahl der Kompressionshübe verdoppelt ist und diese ohne Zeitverzug aufeinanderfolgen. Die beiden komprimierten CO₂-Kältemittelströme überlagern sich dadurch in der Hochdruckleitung 14 derart, daß auf einen Ausschub sofort der nächste folgt und Ausschubpausen verkürzt sind. Durch diese Betriebsweise sind die Pulsationen in der Hochdruckleitung 14 und der nach Öffnen des jeweiligen Auslaßventils 6.1, 6.2 auftretende Druckanstieg verringert. Durch eine Veränderung der Ansteuerfrequenz des Linearmotors 2 und damit der Hubzahl je Zeiteinheit kann der Saugdruck geregelt und an die geforderte Kälte- oder Wärmeleistung angepaßt werden.
Eine andere Ausführung einer Doppelhubbauweise ist in Fig. 3 schematisch gezeigt. Bei dieser Bauweise ist ein auf einer Seite des Linearmotors 2 im Kompressorgehäuse ausgebildeter Kompressionsraum 15 in zwei Kompressionsräume 15.1 und 15.2 geteilt, zwischen denen ein mit dem Reaktionsteil 8 des Linearmotors 2 fest verbundener Hubkolben 16, in radialer Richtung abgedichtet, angeordnet ist, so daß der eine Kompressionsraum 15.1 linearmotorseitig und der andere Kompressionsraum 15.2 auf der dem Linearmotor 2 abgewandten Seite des Hubkolbens 16 gebildet ist. Beide Kompressionsräume 15.1 und 15.2 sind jeweils mit einem Ansaugventil 17 und einem Auslaßventil 18 versehen, so daß durch eine Bewegung des Hubkolbens 16 das in der Bewegungsrichtung vor diesem (16) im jeweiligen Kompressionsraum 15.1 bzw. 15.2 befindliche Kältemittel verdichtet und gleichzeitig Kältemittel in den hinter diesem (16) befindlichen Kompressionsraum 15.2 bzw. 15.1 angesaugt wird. Auch bei dieser Ausführung sind die Kompressionsräume 15.1 und 15.2 über je einen Niederdruck(Ansaug-)-Leitungsabzweig und einen Hochdruck-Leitungsabzweig in den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage eingebunden. Die bei der ersten Ausführung einer Doppelhubbauweise beschriebenen Vorteile sind auch bei dieser Ausführung gegeben.
Die vorbeschriebenen Ausführungen eines Kompressors mit einem Linearmotor 2 und einem mit diesem wirkverbundenen Kompressionsraum 4 bzw. wirkverbundenen Kompressionsräumen 4.1 und 4.2 bzw. 15.1 und 15.2 können als Modul ausgeführt sein, von denen mehrere zu einer Kompressoreinheit 19 baukastenartig zusammengefügt sind. Eine solche Kompressoreinheit 19 mit drei Kompressoren 20 ist in Fig. 4 gezeigt. Diese (20) sind in einer aus drei Teilen 21.1, 21.2 und 21.3 bestehenden Halterung 21 aufgenommen und über entsprechende Leitungsabzweige in den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage eingebunden. Die Halterung 21 weist ein Grundteil 21.1 mit zwei an die Form der Kompressoren 20 angepaßten Aufnahmewannen 22 und einer angepaßten Auflagefläche 23 und zwei über jeweils ein Scharniergelenk 24 mit dem Grundteil 21.1 verbundene Klemmteile 21.2 und 21.3 auf. In diesen (21.2, 21.3) sind jeweils zwei Aufnahmewannen 22 ausgebildet, die im dargestellten Schließzustand der Halterung 21 die Kompressoren 20 klemmend umschließen. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Gehäuse
2 Linearmotor
3 Hubkolben
3.1 Hubkolben
3.2 Hubkolben
4 Kompressionsraum
4.1 Kompressionsraum
4.2 Kompressionsraum
5 Ansaugventil
5.1 Ansaugventil
5.2 Ansaugventil
6 Auslaßventil
6.1 Auslaßventil
6.2 Auslaßventil
7 Stirnwandung
7.1 Stirnwandung
7.2 Stirnwandung
8 Reaktionsteil
9 Druckfeder
10 Schulter
11 Ringdichtung
12 Anschlußmittel
13 Niederdruckleitung
13.1 Niederdruck-Leitungsabzweig
13.2 Niederdruck-Leitungsabzweig
14 Hochdruckleitung
14.1 Hochdruck-Leitungsabzweig
14.2 Hochdruck-Leitungsabzweig
15 Kompressionsraum
15.1 Kompressionsraum
15.2 Kompressionsraum
16 Hubkolben
17 Ansaugventil
18 Auslaßventil
19 Kompressoreinheit
20 Kompressor
21 Halterung
21.1 Grundteil
21.2 Klemmteil
21.3 Klemmteil
22 Aufnahmewanne
23 Auflagefläche
24 Scharniergelenk

Claims

1. Kompressor für eine Fahrzeugklimaanlage mit einem geschlossenen CO₂- Kältemittelkreislauf, mit einem Kompressorgehäuse, wenigstens einem in diesem ausgebildeten Kompressionsraum, einem in diesem hin- und herbewegbaren Hubkolben und wenigstens einem dem Kompressionsraum zugeordneten Ansaugventil und einem Auslaßventil sowie mit einem Antrieb für den Hubkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein Hin- und Herbewegungen ausführender Linearmotor (2) mit veränderbarer Ansteuerfrequenz ist, an dessen Reaktionsteil (8) an der kompressionsraumseitigen Stirnseite der Hubkolben (3, 3.1, 3.2, 16) befestigt ist.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung nur eines Kompressionsraumes im Kompressorgehäuse das Reaktionsteil (8) an seiner kompressionsraumseitigen Stirnseite über eine Druckfeder (9) am Kompressorgehäuse (1) abgestützt ist.

3. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugventil (5, 5.1, 5.2, 17) und das Auslaßventil (6, 6.1, 6.2, 18) in der Wandung (7, 7.1, 7.2) des Kompressionsraumes (4, 4.1, 4.2, 15, 15.1, 15.2) angeordnet sind.

4. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor zwei Kompressionsräume (4.1, 4.2) mit jeweils einem Ansaugventil (5.1, 5.2) und einem Auslaßventil (6.1, 6.2) aufweist, mit denen der Linearmotor (2) an seinen gegenüberliegenden Stirnseiten mit jeweils einem Hubkolben (3.1, 3.2) in Wirkverbindung steht, derart, daß eine Hin- und Herbewegung des Linearmotors (2) mit einem wechselseitigen Ansaugen und Ausstoßen des CO₂-Kältemittels verbunden ist.

5. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsraum (15) durch den Hubkolben (16) zweigeteilt ist, derart, daß ein Teil-Kompressionsraum (15.1) linearmotorseitig und ein Teil-Kompressionsraum (15.2) auf der dem Linearmotor (2) abgewandten Seite des Hubkolbens (16) ausgebildet ist und jeder Teil-Kompressionsraum (15.1, 15.2) mit einem Ansaugventil (17) und einem Auslaßventil (18) versehen ist, so daß durch eine Kolbenbewegung wechselseitig das in dem einen Teil-Kompressionsraum (15.1, 15.2) vorhandene Kältemittel verdichtet wird und gleichzeitig in dem jeweils anderen Teil-Kompressionsraum (15.2, 15.1) Kältemittel angesaugt wird.

6. Kompressor nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Ansaugventilen (5.1, 17) und den Auslaßventilen (6.1, 18) verbundene Kältemittelleitungen (13.1, 13.2, 14.1, 14.2) jeweils außerhalb des Kompressors zusammengeführt sind.

7. Kompressor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mehrere parallelgeschaltete Kompressionsräume mit jeweils einem Hubkolben aufweist.

8. Kompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kompressor (20) mit einem Kompressionsraum und einem diesem zugeordneten Hubkolben und Linearmotor ein Modul bildet, und daß mehrere Module baukastenartig zu einer Kompressoreinheit (19) zusammengefügt sind.