DE19833604A1 - Kompressor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kompressor, insbesondere für die Klimaanlage eines
Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten
Verdichtereinheit bzw. Pumpeneinheit zum Ansaugen und Verdichten eines
Kältemittels.
Kompressoren der hier in Rede stehenden Art werden meist als Klimakompressoren
bezeichnet und sind aus der Praxis in den unterschiedlichsten Ausführungsformen
bekannt. Solche Kompressoren umfassen ein Gehäuse, welches eine von außerhalb
angetriebene Verdichter- bzw. Pumpeneinheit einschließt. Die beispielsweise als
Axialkolbenpumpe ausgebildete Pumpeneinheit umfaßt wiederum mindestens einen
Kolben, der in einem Zylinderblock hin und her bewegbar ist. Üblicherweise ist ein
solcher Kompressor mit mehreren Kolben ausgestattet, die bei Drehung einer
Taumelscheibe über eine Aufnahmescheibe in Richtung ihrer Längsachse hin und
her bewegt werden, wobei die Aufnahmescheibe drehfest im Gehäuse gelagert ist.
Klimakompressoren unterschiedlichster Bauart arbeiten mit einem Kältemittel, wobei
die Auswahl des Kältemittels unter ökologischen Gesichtspunkten zunehmend
problematischer wird. Derzeit wird jedenfalls ganz überwiegend das Kältemittel
R134a verwendet, wobei mittlerweile auch gegen dieses Kältemittel ganz erhebliche
ökologische Bedenken besten.
Die aus der Praxis bekannten, mit dem Kältemittel R134a arbeitenden Kompressoren
weisen üblicherweise ein aus Aluminiumwerkstoff gefertigtes Gehäuse auf, welches
bei einem dort vorgegebenen Berstdruck von maximal 8 MPa Wandstärken von etwa
3 mm bis 5 mm aufweist.
Die aus der Praxis bekannten Klimakompressoren sind jedoch insoweit
problematisch, als in zunehmendem Maße die Forderung nach einem zu 100%
umweltverträglichen Kältemittel erhoben wird. Mit zunehmendem Umweltbewußtsein
der Kraftfahrzeugkäufer wird diese Forderung immer mehr in den Vordergrund
gestellt.
Sofern der Klimakompressor zum Einsatz in Kraftfahrzeugen bestimmt ist, wird
darüberhinaus - ebenfalls in zunehmendem Maße - die Forderung nach geringer
Baugröße erhoben. Bei den bekannten Kompressoren läßt sich die Baugröße jedoch
kaum weiter reduzieren, zumal eine bestimmte Wärmeleistung bzw. Kälteleistung
des Klimasystems und somit ein entsprechendes Fördervolumen bzw. ein
entsprechender Masse Strom an Kältemittel realisiert werden muß, was wiederum
eine Mindest-Baugröße bedingt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen zum Einsatz in
der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs geeigneten Kompressor anzugeben, dessen
Baugröße sich gegenüber bislang bekannten Kompressoren verringern läßt, ohne
dabei die Verdichterleistung herabzusetzen. Dabei soll der Einsatz eines ökologisch
unbedenklichen Kältemittels möglich sein.
Der erfindungsgemäße Kompressor löst die voranstehende Aufgabe durch die
Merkmale des Patentanspruches 1. Danach ist ein Kompressor der eingangs
genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem hochfesten
Werkstoff hergestellt ist und daß als Kältemittel ein bereits im Ansaugzustand eine
hohe Dichte aufweisendes Gas dient.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß dem Kältemittel nicht nur unter
ökologischen Gesichtspunkten sondern auch im Hinblick auf eine zu reduzierende
Baugröße des Kompressors eine ganz besondere Bedeutung zukommt. In weiter
erfindungsgemäßer Weise ist nämlich erkannt worden, daß das Kältemittel mit
zunehmender Dichte bereits im Ansaugzustand mehr Wärme transportieren kann.
Bei gleichem Massenstrom wird somit das zu fördernde Gasvolumen geringer,
wodurch sich wiederum die Leitungsquerschnitte bzw. die Strömungspfade
verkleinern lassen. Folglich ist es mit einem solchen Kältemittel grundsätzlich
möglich, die Baugröße des Kompressors insgesamt zu reduzieren.
Bei Verwendung eines hochfesten Werkstoffes für das Gehäuse des Kompressors ist
es ohne weiteres möglich, die bei einem bereits im Ansaugzustand eine hohe Dichte
aufweisenden Kältemittel erforderlichen bzw. auftretenden hohe Drücke
aufzunehmen. So lassen sich ohne weiteres Berstdrücke bis zu 30 MPa bei Austritts
temperaturen im Bereich von etwa 160°C bis 170°C realisieren, ohne dabei die
Wandstärke des Kompressorgehäuses auf Kosten der Baugröße insgesamt erhöhen
zu müssen.
Im Rahmen einer besonders einfachen Ausgestaltung des Gehäuses könnte dieses
aus einem hochfesten Stahl hergestellt sein, wodurch sich aufgrund dessen
mechanischer Eigenschaften der Bauraum gegenüber einem Aluminiumgehäuse um
etwa 10% verringern ließe. Außerdem verursacht ein Stahlgehäuse im Vergleich zu
einem Aluminiumgehäuse niedrigere Herstellkosten, was nicht zuletzt auf eine
einfachere Fertigung und einen günstigeren Materialpreis zurückzuführen ist. Des
weiteren führt die geringere Wärmeleitfähigkeit von Stahl im Vergleich zu Aluminium
zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Kompressors, nämlich dadurch, daß
ein geringerer Wärmeübergang von der Druckseite auf die Saugseite des
Kompressorgehäuses stattfindet.
Ebenso wäre es möglich, im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung das Gehäuse
aus einem anderen hochfesten Werkstoff herzustellen, so beispielsweise aus einer
Bronzelegierung oder aus Titan. Andere Werkstoffe kommen ebenfalls in Frage,
wobei stets darauf zu achten ist, daß alle Kompressorteile in etwa die gleiche
Wärmeausdehnung aufweisen, so daß keine temperaturabhängigen Toleranzen, so
beispielsweise keine Temperaturabhängigkeit des Lagerspiels oder dgl., auftreten.
Ebenso ist auf eine im Vergleich zu Aluminium geringere Wärmeleitfähigkeit zu
achten, so daß bereits dadurch der Wirkungsgrad des Kompressors begünstigt bzw.
verbessert ist.
Zur Begünstigung der hochfesten Materialeigenschaften kommen ebenso
faserverstärkte Werkstoffe oder Verbundwerkstoffe in Frage. Im Falle des Einsatzes
faserverstärkter Werkstoffe könnten die Fasern kontinuierlich in den Werkstoff
eingebracht sein. Bei geeigneter Faserverstärkung und unter Zugrundelegung einer
Faserorientierung zur optimalen Kraftaufnahme ließe sich die Wanddicke des
Gehäuses abermals ganz erheblich verringern, und zwar im Vergleich zu
herkömmlichen Werkstoffen ohne entsprechende Faserverstärkung.
Grundsätzlich sollten die hier in Frage kommenden hochfesten Werkstoffe eine
Dehn- bzw. Streckgrenze von mindestens 500 N/mm2 bzw. eine Bruchgrenze von
mindestens 700 N/mm2 bis 800 N/mm2 aufweisen. Ideal wäre eine Dehngrenze des
Gehäusematerials im Bereich zwischen 700 N/mm2 und 800 N/mm2, wobei die
Bearbeitbarkeit noch gewährleistet sein muß. Das Gehäuse sollte auch extrem
hohen Berstdrücken bis zu ca. 30 MPa bei geringst möglichen Wanddicken
standhalten können.
In fertigungstechnischer Hinsicht, insbesondere unter Zugrundelegung eines
Gehäuses aus Stahl, könnte dieses im wesentlichen gußtechnisch hergestellt sein.
Grundsätzlich ist es möglich, das Gehäuse tiefzuziehen, kaltzuverformen bzw. durch
Kaltfließpressen herzustellen. Die Materialwahl ist hier entscheidend.
Sollte sich mit dem hochfesten Gehäuse keine hinreichende Öl- und Gasdichtigkeit
erzielen lassen, könnte es von besonderem Vorteil sein, wenn das Gehäuse zu dem
aus hochfestem Material bestehenden Gehäusemantel eine dünnwandige öl- und
gasdichte Innenauskleidung aufweist. Diese Innenauskleidung könnte wiederum aus
Aluminium gefertigt sein, wobei die mechanischen Eigenschaften der
Innenauskleidung zweitrangig sind. Insoweit hätte man eine Kombination aus
hochfestem Außengehäuse und öl- und gasdichtem Innengehäuse geschaffen.
Insbesondere bei der Verwendung von hochfestem Stahl als Gehäusematerial ist es
von weiterem Vorteil, wenn Maßnahmen zur Vorbeugung von Korrosion an den
Außenteilen bzw. Außenflächen der Gehäusebauteile vorgesehen sind. Insoweit
könnte man unmittelbar an der äußeren Oberfläche des Gehäuses einen Korrosions
schutz aufbringen, und zwar beispielsweise in Form einer zumindest weitgehend
temperaturfesten Beschichtung.
Bereits zuvor wurde betont, daß es sich bei den hier in erster Linie beanspruchten
Merkmalen - hochfester Gehäusewerkstoff und bereits im Ansaugzustand eine hohe
Dichte aufweisendes Gas - um eine raffinierte Merkmalskombination zur mittelbaren
Reduzierung der Baugröße bzw. des Bauraumes des Kompressors handelt. Insoweit
ist es hinsichtlich des zu verwendenden Kältemittels von ganz besonderem Vorteil,
wenn es sich dabei um ein Inertgas handelt, nämlich um ein Gas, welches eine
unerwünschte Reaktion von Materialien in der Atmosphäre verhindert, nämlich um
ein ungiftiges Gas. Entsprechend könnte es sich bei dem Kältemittel durchaus auch
um ein Inertgasgemisch handeln, so beispielsweise um ein CO2-haltiges
Inertgasgemisch.
In ganz besonders vorteilhafter Weise eignet sich als Kältemittel das Inertgas CO2,
wodurch sich wiederum hohe Drücke innerhalb des Kompressors bedingen. Im
Gegensatz zu herkömmlichen Kältemitteln findet bei Verwendung von CO2 selten
Verflüssigung im Hochdruckteil statt. CO2 ist quasi unbegrenzt verfügbar, ist ungiftig,
nicht brennbar und verursacht darüberhinaus keinerlei Rückstände oder gar Schäden
in der Umwelt.
Bei einem Saugdruck von ca. 30 bar ließe sich ein Auslaßdruck von über 80 bar
erzielen, wobei aufgrund der relativ hohen Dichte von CO2 eine im Vergleich zu
herkömmlichen Kältemitteln äußerst hohe Wärmeleistung bzw. Kälteleistung des
Klimasystems bei gleichbleibendem Massenstrom realisierbar ist. Letztendlich läßt
sich das Volumen des zu fördernden Kältemittels bei gleicher Leistung verringern,
wodurch sich bei vorgegebener Leistungsanforderung eine geringere Baugröße des
Kompressors ergibt.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in
vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die
dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die
nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der
Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im
allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In
der Zeichnung zeigt
die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kompressor
in einer geschnittenen Seitenansicht.
Bei dem in der einzigen Figur lediglich beispielhaft gezeigten Ausführungsbeispiel
handelt es sich um einen Axialkolbenverdichter, wobei die hier nicht näher
beschriebene Verdichtereinheit 1 in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Das Gehäuse
2 umfaßt im wesentlichen zwei Gehäuseteile 3, 4, wobei das Gehäuseteil 3 einen
sog. Triebraum 5 bildet, in dem die Verdichtereinheit 1 angeordnet ist.
Die Verdichtereinheit 1 wird über eine Riemenscheibe 6 beispielsweise von einem
Verbrennungsmotor angetrieben. Der Antrieb erfolgt von dort aus über eine
Antriebswelle 7, die um eine Drehachse 8 rotiert. Die Antriebswelle 7 ist in dem Ge
häuse 2 im Bereich der Riemenscheibe 6 drehgelagert.
Zum Antrieb der Kolben 9 ist eine Taumelscheibe 10 vorgesehen, die über Lager 11
auf eine drehfest im Gehäuse 2 gelagerte Aufnahmescheibe 12 wirkt. Die
Aufnahmescheibe 12 ist über eine Pleuelstange 13 mit dem bzw. den Kolben 9
gekoppelt. Entsprechend dieser Anordnung bewegt sich der Kolben 9 bei einer Dre
hung der Taumelscheibe 10 über die Aufnahmescheibe 12 in Richtung seiner
Längsachse hin und her, wobei das hier dargestellte Ausführungsbeispiel gleich
mehrere Kolben 9 umfaßt.
Erfindungsgemäß ist das Gehäuse 2 bzw. sind die Gehäuseteile 3, 4 aus einem
hochfesten Werkstoff hergestellt, und zwar in diesem Falle aus hochfestem Stahl. Als
Kältemittel ist ein Inertgas, nämlich CO2, vorgesehen. Durch diese
Merkmalskombination läßt sich die Baugröße des Kompressors insgesamt
verringern, wobei eine hinreichende Kompressorleistung gemäß den Ausführungen
in der Beschreibungseinleitung gewährleistet ist.
Abschließend sei hervorgehoben, daß das voranstehend lediglich beispielhaft
genannte Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Lehre lediglich erläutert,
jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
Claims (19)
1. Kompressor, insbesondere für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem
Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Verdichtereinheit (1) zum
Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus einem hochfesten
Werkstoff hergestellt ist und daß als Kältemittel ein bereits im Ansaugzustand eine
hohe Dichte aufweisendes Gas dient.
2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) im
wesentlichen aus Stahl gefertigt ist.
3. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) im
wesentlichen aus einer Bronzelegierung gefertigt ist.
4. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) im
wesentlichen aus Titan gefertigt ist.
5. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) im
wesentlichen aus einem faserverstärkten Werkstoff gefertigt ist.
6. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2)
aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist.
7. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dehngrenze des Gehäusematerials bei über 500 N/mm2 liegt.
8. Kompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehngrenze
des Gehäusematerials im Bereich zwischen 700 N/mm2 und 800 N/mm2 liegt.
9. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) im wesentlichen gußtechnisch hergestellt ist.
10. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) tiefgezogen ist.
11. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) kalt- und/oder warmverformt ist.
12. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) durch Kaltfließpressen hergestellt ist.
13. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) einen Gehäusemantel aus hochfestem Werkstoff und eine
dünnwandige, öl- und gasdichte Innenauskleidung umfaßt.
14. Kompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenauskleidung aus Aluminium gefertigt ist.
15. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) an der äußeren Oberfläche einen Korrosionsschutz aufweist.
16. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kältemittel ein Inertgas ist.
17. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kältemittel ein Inertgasgemisch ist.
18. Kompressor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel
ein CO2-haltiges Inertgasgemisch ist.
19. Kompressor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel
CO2 ist.
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