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Die
Erfindung betrifft einen Taumelscheibenkompressor für eine CO2-Klimaanlage, insbesondere für eine Fahrzeugklimaanlage.
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Ein
Taumelscheibenkompressor für
eine mit dem umweltfreundlichen CO2-Kältemittel
(Kältemittel R744)
betriebene Klimaanlage in einem Fahrzeug weist ein Kompressorgehäuse auf,
in dem eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe angeordnet ist. Die
Antriebswelle kann mit einem ebenfalls im Kompressorgehäuse angeordneten
Elektromotor oder über
eine an der Außenseite
des Kompressorgehäuses
angeordnete Riemenscheibe und einen Antriebsriemen mit dem Verbrennungsmotor
des Fahrzeugs gekoppelt sein, und die Taumelscheibe treibt wenigstens
einen in einem Kompressionzylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen
und Verdichten des CO2-Kältemittels
an. Im Kompressionsraum sind ein Ansaugventil und ein Austosventil
angeordnet. Da CO2-Kältemittel im Vergleich zu anderen
Kältemitteln,
beispielsweise R 134a, wesentlich stärker, etwa um den Faktor 10,
komprimiert werden muss, um vergleichbare Kühlleistungen erzielen zu können, ist
der Abdichtung des Hubkolbens gegenüber der Innenfläche der
Zylinderbohrung des Kompressionszylinders besondere Aufmerksamkeit
zu schenken, damit der Kompressionsraum gegenüber dem Kurbelgehäuse abgedichtet
ist, in dem sich die Taumelscheibe befindet und in dem der Gasdruck
gegenüber
dem Kompressionsdruck erheblich kleiner ist.
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Von
Taumelscheibenkompressoren, die für herkömmliche, weniger umweltfreundliche
Kältemittel
als CO
2 ausgelegt sind, ist es bekannt,
den Hubkolben mit wenigstens einer koaxialen Ringnut zu versehen
und einen Kolbenring in dieser anzuordnen, der den durch die Mantelfläche des
Hubkolbens und die Innenfläche
der Zylinderbohrung des Kompressionszylinders gebildeten Ringspalt
kompressionsraumseitig schließt
und diesen in radialer und axialer Richtung abdichtet und der dem
Kompressionsdruck standhält,
wie es beispielsweise in der
EP 0 672 829 A1 oder der
EP 0 844 389 B1 beschrieben ist.
Der Vorteil der Anordnung eines Kolbenringes liegt darin, dass nur
dieser an der Mantelfläche
des Hubkolbens vorstehende Kolbenring an der Innenfläche der
Zylinderbohrung anliegt, wohingegen die Mantelfläche des Hubkolbens einen Ringspalt
mit der Innenfläche
bildet, der in radialer Richtung eine Dicke von ungefähr 15 μm bis ungefähr 80 μm haben kann. Somit
gleitet der Hubkolben in der Zylinderbohrung, ohne dass die Mantelfläche in direktem
Kontakt mit der Zylinderbohrung steht. Da die Breite des Kolbenringes
gegenüber
der Länge
des Hubkolbens in axialer Richtung klein ist, ist die Reibung erheblich
verringert. Allerdings ist der technologische Aufwand größer, da
die Ringnut geschliffen werden muss. Zur Vergrößerung der Dichtfläche zwischen
dem Hubkolben und der Zylinderbohrung können auch mehrere Kolbenringe
angeordnet werden, wodurch jedoch der technologische Aufwand steigt.
Der Hubkolben kann aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein,
und der Kompressionszylinder ebenfalls aus einer solchen oder aus
einer Stahllegierung.
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Gegenstand
der
DE 197 54 028
A1 ist ein Kompressor der vorbeschriebenen Art, bei dem
der Reibungswiderstand zwischen Hubkolben und Zylinderbohrung bzw.
Kolbenring und Zylinderbohrung dadurch verringert ist, dass eine
reibungsarme Schicht, z.B. eine Legierungsplattierung, oder eine Dispersionsbeschichtung
mit einer Metallmatrix auf der Innenfläche der Zylinderbohrung angeordnet
ist, oder, bei Verzicht auf einen Kolbenring, auch auf der Mantelfläche des
Hubkolbens.
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Des
Weiteren ist es aus der Darstellung des Standes der Technik in der
EP 0 844 389 B1 bekannt, zur
Verringerung der Reibung zwischen der Mantelfläche des Hubkolbens und der
Innenfläche
der Zylinderbohrung die Mantelfläche
mit einer Plattierungsschicht zu versehen, die ein selbstschmierendes
Material enthält,
wie Polytetrafluorethylen. Zwischen den beiden Flächen ist
ein Ringspalt in der Dicke von ungefähr 15 μm bis ungefähr 30 μm ausgebildet, in den ein Schmieröl zum Abdichten
gegenüber
dem (herkömmlichen)
gasförmigen
Kältemittel
und wirksamen Komprimieren desselben eingebracht ist. Dieser Schmierölfilm wirkt
dabei als Spaltdichtung. Der Ausbildung einer solchen Spaltdichtung
sind durch den Kompressionsdruck Grenzen gesetzt. Bei einem Klimakompressor
für CO
2-Kältemittel
mit einem Kompressionsdruck von über
110 bar gegenüber
einem Saugdruck von etwa 40 bar kann eine derartige Dichtung nicht
standhalten, und es würde
zu Leckagen kommen.
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Nach
der
EP 0 789 145 B1 kann
die Mantelfläche
des Hubkolbens auch mit einer koaxialen Ringnut zum Sammeln von
Schmieröl
versehen sein, das zwischen der Mantelfläche und der Innenfläche der
Zylinderbohrung vorhanden ist. Dabei ist diese Ringnut mit wenigstens
einer in axialer Richtung des Hubkolbens ausgebildeten weiteren
Nut kombiniert, durch die Schmieröl in die Kurbelkammer hineingesaugt
werden kann.
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Ferner
ist aus der
EP 0 733
801 B1 ein Kompressor für
Kühlschränke oder
Gefriergeräte
bekannt, bei dem die Mantelfläche
des Hubkolbens mit wenigstens einer ringförmigen Ausnehmung (koaxiale
Ringnut) zur Aufnahme von Kältemittel
versehen ist, das aus der Kompressionskammer während des Kompressionshubes
zwischen die Kolbenmantelfläche
und die Innenfläche
de Zylinderbohrung gedrückt wird.
Zusätzlich
ist in der Innenfläche
der Zylinderbohrung zumindest eine Ausnehmung zum Sammeln mindestens
eines Teils des Kältemittels
angeordnet, das in die Ringnut eintritt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Taumelscheibenkompressor für eine CO2-Klimaanlage
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass ein durch
die Taumelscheibe angetriebener und in einem Kompressionszylinder
angeordneter Hubkolben auf einfache Weise eine Dichtung mit der
Innenfläche
der Zylinderbohrung ausbildet, die den Kompressionsraum gegenüber der
Kurbelkammer abdichtet.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Taumelscheibenkompressor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die
Erfindung besteht darin, dass bei einem Taumelscheibenkompressor
für eine
CO2-Klimaanlage,
der in einem Kompressorgehäuse
eine Antriebswelle mit einer Taumelscheibe aufweist, die wenigstens
einen in einem Kompressionszylinder angeordneten Hubkolben zum Ansaugen
und Verdichten des CO2-Kältemittels antreibt, zwischen
dem Hubkolben und dem Kompressionszylinder ein Spalt mit einer Breite
von im wesentlichen 5 bis 20 μm
in radialer Richtung in der Art einer Spielpassung ausgebildet ist,
in dem das zu verdichtende CO2-Kältemittel
zugleich als Dichtungsmedium wirkt, wobei die Werkstoffe, aus denen
der Kompressionszylinder und der Hubkolben gefertigt sind, den gleichen
oder im wesentlichen gleichen Dehnungskoeffizienten aufweisen. Es
hat sich gezeigt, dass trotz der Erwärmung im Kompressor auf bis
zu 200°C
während
dessen Betriebes und trotz des hohen Kompressionsdruckes von über 110
bar im wesentlichen keine bzw. nur sehr geringe Leckagen zu verzeichnen
sind und die mit dem CO2-Kältemittel
gebildete Spaltdichtung standhält.
Dazu trägt
ein im CO2-Kältemittel vorhandener Ölanteil
bei, der mit bewirkt, das das CO2-Kältemittel in
dem in axialer Richtung langausgedehnten Spalt dem an der kompressionsraumseitigen
Stirnfläche des
Hubkolbens anliegenden hohen Druck standhält und als Dichtung wirkt,
und auch der Umstand, dass sich der Spalt bei der Temperaturerhöhung infolge der
verwendeten Materialien nicht oder nur unwesentlich vergrößert. Für die Schmierung
der beweglichen Teile im Kompressor wird Öl verwendet. Beim Betrieb des
Kompressors ist es unvermeidlich, dass davon ein Teil in das CO2-Kältemittel
gelangt. Dieser Umstand wird hier genutzt.
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Bei
der vorbeschriebenen Lösung
werden Kolbenringe nicht mehr benötigt. Das bedeutet, das ein
exaktes Einschleifen von wenigstens einer koaxialen Ringnut in den
Hubkolben bei dessen Herstellung entfällt. Damit ist die Lösung technologisch
einfacher und erheblich kostengünstiger. Überdies
ist die Montage des Taumelscheibenkompressors, in dem üblicherweise
mehrere Hubkolben angeordnet sind, weniger aufwendig. Die Lösung trägt auch
zur Erhöhung
der Zuverlässigkeit
des Kompressors bei, da verschleißende Kolbenringe nicht vorhanden
sind.
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Vorzugsweise
beträgt
die Spaltdicke 5 bis 15 μm,
da ein weiterer bzw. dickerer Spalt, insbesondere bei höheren, dem
Kompressor abverlangten Leistungen, die Gefahr einer Leckage mit
sich bringt. Damit die Spaltdicke auch bei höheren Temperaturen annähernd gleich
bleibt, sind die Werkstoffpaarungen Zylinder – Hubkolben aus Werkstoffen
mit einer annähernd
gleichen Wärmeausdehnungszahl
gebildet, die temperaturabhängig
ist, vorzugsweise jedoch aus jeweils der gleichen Aluminiumlegierung
oder jeweils aus Stahl, oder bei miteinander korrespondierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
auch aus einer Aluminiumlegierung-Stahl-Paarung. Bei einer Temperaturerhöhung weiten
sich somit die Zylinderbohrung und der Hubkolbenumfang im wesentlichen
im gleichen Maße.
Die Verwendung von Aluminium führt zu
einer Gewichtsverminderung generell und dadurch auch zu einer Reduzierung
der zu beschleunigenden Masse des Hubkolbens, was sich leistungssteigernd
und in einer verbesserten Regelbarkeit auswirkt.
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Der
Hubkolben kann des Weiteren eine koaxiale Ringnut aufweisen, die
sich mit CO2-Kältemittel füllt und
insbesondere bei einem dickeren Spalt als Pufferspeicher dienen
kann. Auch kann der Hubkolben vorteilhaft als Hohlkolben ausgebildet
sein, um dessen Gewicht weiter zu senken.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die
zugehörige Zeichnung
zeigt einen elektrisch angetriebenen Taumelscheibenkompressor mit
sieben durch die Taumelscheibe angetriebenen Hubkolben in einem Schnitt,
in dem zwei in jeweils einer Zylinderbohrung angeordnete Hubkolben
zu sehen sind.
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Dieser
Taumelscheibenkompressor weist ein aus Stahl tiefgezogenes Gehäuse 1 auf,
in dem in einer Kurbelkammer 2 eine Taumelscheibe 3 auf
einer Antriebswelle 4 drehfest angeordnet ist, die mit
mehreren in jeweils einem Kompressionszylinder 5 hin- und
herbeweglich angeordneten hohlen Hubkolben 6 aus einer
Aluminiumlegierung zum Ansaugen und Verdichten von CO2-Kältemittel über jeweils
einen am jeweiligen Kompressionszylinder 5 ausgebildeten Lagerkäfig 7 gekoppelt
ist und die Hubkolben 6 antreibt. In einem Antriebsraum 8 ist
ein drehzahlgeregelter Elektromotor 9 derart angeordnet,
dass dessen Rotor 10 in bekannter Weise drehfest mit der
Antriebswelle 4 verbunden und der Stator 11 über eine Schrumpfverbindung
am Gehäuse 1 festgelegt
ist. Zwischen der Kurbelkammer 2 und dem Antriebsraum 8 ist
eine Zwischenwand 12 eingebracht, wobei diese mit Durchlassbohrungen 13 und
der Rotor 10 mit Durchlassbohrungen 14 für einen
CO2-Kältemitteldurchtritt
versehen sind, so dass die Kurbelkammer 2 und der Antriebsraum 8 einen
gemeinsamen Gasraum ausbilden.
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Das
Gehäuse 1 ist
antriebsraumseitig durch einen mit einer Eintrittsöffnung 15 für das Kältemittel versehenen
Abschlussdeckel 16 und auf der diesem gegenüberliegenden
Stirnseite durch einen mit einer Ausstoßöffnung 17 für das Kältemittel
versehenen Ventildeckel 18, der eine Ventilplatte 19 mit
Auslassventilen 20 abdeckt, verschlossen, wobei beide Deckel
(16, 18) mit dem Gehäuse verschweißt sind.
Die (Hochdruck-) Auslassventile 20 korrespondieren dabei
mit den in einem Zylinderblock 21 ausgebildeten Kompressionszylindern 5,
der aus der gleichen Aluminiumlegierung wie die Hubkolben 6 gefertigt
sind.
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Der
jeweilige Hubkolben 6 ist auf seiner der Taumelscheibe 4 abgewandten
Stirnseite mit einem Ansaugventil 22 versehen und taumelscheibenseitig mit
einer (nicht dargestellten) Öffnung.
Das Ansaugventil 22 ist aus einer den Hohlraum des Hubkolbens 6 verschließenden Platte
mit einer Öffnung
und einer diese in der Schließstellung überdeckenden
Ventillamelle gebildet, deren Öffnungsstellungen
im Kompressionsraum 23 liegen und die in ihrer Schließstellung
an der Platte anliegt.
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Zwischen
dem jeweiligen Kompressionszylinder 5 mit einem Nenndurchmesser
von 10 mm und dem in diesem angeordneten Hubkolben 6 mit
einem Nenndurchmesser von ebenfalls 10 mm, jedoch mit einem Abmaß von 10 μm, ist ein
Ringspalt RS von im wesentlichen 10 μm ausgebildet, in dem das CO2-Kältemittel
als Dichtungsmittel eine Dichtung ausbildet (Einzelheit X). An der
Mantelfläche
des Hubkolbens 6 ist eine koaxiale Ringnut 24 ausgebildet.
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Bei
diesem Taumelscheibenkompressor wird das CO2-Kältemittel
mit einem vorbestimmten Ansaugdruck, beispielsweise 40 bar, über die
Eintrittsöffnung 15,
die Durchlassbohrungen 14 und die Durchlassbohrungen 13 durch
die Kolbenbewegung in die Kurbelkammer 2 gesaugt. Von dort
gelangt es bei einem Kolbenhub des jeweiligen hohlen Hubkolbens 6 in
Richtung auf den Antriebsraum 8 zu durch diesen Hubkolben 6 und
das Ansaugventil 22 in den durch diesen (6) und
den Kompressionszylinder 5 gebildeten Saugraum 25,
der zugleich auch der Kompressionsraum 23 ist. Bei einer
Hubkolbenbewegung auf die Ventilplatte 19 zu wird das Kältemittel
verdichtet und bei einem vorbestimmten Druck über das (Hochdruck-) Auslassventil 20 mit
einem um etwa ein Vierfaches höherem
Druck als der Ansaugdruck ausgestoßen. Bei diesem Vorgang befindet
sich gasförmiges
CO2-Kältemittel
mit einem Ölanteil,
der auf dem Ansaugweg des Kältemittels
durch den Antriebsraum 8 und die Kurbelkammer 2 aufgenommen wurde,
in dem Ringspalt RS und dichtet diesen in radialer und axialer Richtung
ab und wirkt auch als Schmiermittel.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Kurbelkammer
- 3
- Taumelscheibe
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Kompressionszylinder
- 6
- Hubkolben
- 7
- Lagerkäfig
- 8
- Antriebsraum
- 9
- Elektromotor
- 10
- Rotor
- 11
- Stator
- 12
- Zwischenwand
- 13
- Durchlassbohrung
- 14
- Durchlassbohrung
- 15
- Eintrittsöffnung
- 16
- Abschlussdeckel
- 17
- Ausstoßöffnung
- 18
- Ventildeckel
- 19
- Ventilplatte
- 20
- Auslassventil
- 21
- Zylinderblock
- 22
- Ansaugventil
- 23
- Kompressionsraum
- 24
- Ringnut
- 25
- Saugraum
- RS
- Ringspalt