DE102004013096A1 - Compressor, in particular axial piston compressor for a vehicle air conditioning - Google Patents
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Abstract
Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter, für eine Fahrzeug-Klimaanlage, mit einem eine Triebwerkskammer (17) begrenzenden Gehäuse, einem Zylinderblock, in dem mindestens ein Kolben axial hin- und herverschieblich gelagert ist, und einen eine Saug- und Druckseite umfassenden Zylinderkopf, wobei zwischen Triebwerkskammer (17) und Saugseite (18) eine Fluidverbindung (12, 13) vorgesehen ist, in der ein Regelventil (10) angeordnet ist, mittels dem ab einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen Triebwerkskammer (17) und Saugseite (18) bei weiter ansteigender Druckdifferenz die Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und Saugseite zunehmend gedrosselt wird, um so den abfließenden Massenstrom auf annähernd konstant niedrigem Ausgangsniveau zu halten.Compressor, in particular axial piston compressor, for a vehicle air conditioning system, with a housing defining an engine chamber (17), a cylinder block, in which at least one piston is axially reciprocally displaceable, and a cylinder head comprising a suction and pressure side, wherein between the engine chamber (17) and suction side (18) a fluid connection (12, 13) is provided, in which a control valve (10) is arranged, by means of which from a predetermined pressure difference between the engine chamber (17) and suction side (18) with further increasing pressure difference, the fluid connection between the engine chamber and suction side is increasingly throttled, so as to keep the outflowing mass flow at approximately constant low starting level.
Description
Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter für eine Fahrzeug-Klimaanlage, mit einem eine Triebwerkskammer begrenzenden Gehäuse, einem Zylinderblock, in dem mindestens ein Kolben axial hin- und herverschieblich gelagert ist, und einen eine Saug- und Druckseite umfassenden Zylinderkopf.The The invention relates to a compressor, in particular axial piston compressor for one Vehicle air conditioning, with one engine compartment delimiting Casing, a cylinder block in which at least one piston axially back and forth stored herverschieblich, and a comprehensive suction and pressure side Cylinder head.
Konkret geht es um einen Verdichter variabler Kapazität mit Schrägscheiben- oder Taumelscheiben-Antrieb, der sich innerhalb der Triebwerkskammer befindet und über den die Drehbewegung einer Antriebswelle in eine axiale Hin- und Herbewegung des oder der Kolben umgesetzt wird. Die Schrägscheibe oder Taumelscheibe, allgemein auch „Schwenkscheibe" genannt, lässt sich hinsichtlich ihrer Neigung relativ zur Antriebswelle, die mit einem externen Motor koppelbar ist, variieren. Die Neigung der „Schwenkscheibe" bestimmt den Hub des oder der Kolben. Wenn der Druck in der Triebwerkskammer relativ niedrig ist, ist die Neigung der „Schwenkscheibe" groß, so dass der Hub des oder der Kolben entsprechend lang ist. Wenn der Druck in der Triebwerkskammer relativ hoch ist, ist die Neigung der „Schwenkscheibe" klein, so dass der Hub des oder der Kolben entsprechend gering ist. Zum Stand der Technik sei auf folgende Druckschriften verwiesen:
- –
DE 196 11 004 A1 - –
DE 44 41 721 C2 - – JP 2002/070739 A
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DE 196 11 004 A1 - -
DE 44 41 721 C2 - - JP 2002/070739 A
Diese Druckschriften beziehen sich jeweils auf stufenlos regelbare Verdichter mit variabler Verstellung des Kolbenhubs.These References relate to continuously variable compressors with variable adjustment of the piston stroke.
In der Regel sind solche Verdichter als Axialkolbenverdichter ausgeführt, wobei die Hubanpassung – wie bereits erwähnt – durch eine Veränderung des Kippwinkels der „Schwenkscheibe" erfolgt. Dabei wird die Position des unteren Totpunktes des oder der Kolben verändert; die Lage des oberen Totpunktes und damit die Größe des sog. schädlichen Raums bleiben idealtypisch unverändert.In usually such compressors are designed as axial piston compressor, wherein the stroke adjustment - how already mentioned - by a change of the Tilting angle of the "swash plate" takes place the position of the bottom dead center of the piston or changes; the Position of top dead center and thus the size of the so-called. Harmful Raums remain idealtypisch unchanged.
Beim Betrieb eines solchen Verdichters treten gewöhnlich interne Leckagen und Verluste auf. Die Hauptursache dafür ist, dass bei der Verdichtung eines in den bzw. die Zylinder gesaugten Kältemittels in der Regel ein sog. Teilmassenstrom durch den Spalt zwischen Zylinder und Kolben in den Triebwerksraum des Verdichters eintritt. Dieser Effekt ist auch als „blow-by" bekannt. Sofern ein Ölabschneider an der Hochdruckseite des Verdichters angeordnet ist, besteht die Möglichkeit, dass ungewollt Kältemittel über die Ölrückführung in die Triebwerkskammer gelangt. Um in der Triebwerkskammer einen unerwünschten Überdruck zu vermeiden, ist zwischen Triebwerkskammer und der Niederdruck- bzw. Saugseite eine Fluidverbindung vorgesehen, über die in die Triebwerkskammer eintretende Leckagemassen wieder abströmen können. Bei der erwähnten Fluidverbindung handelt es sich in der Regel um eine Verbindungsbohrung. Der freie Querschnitt dieser Bohrung ist im allgemeinen so dimensioniert, dass selbst unter ungünstigsten Bedingungen kein unerwünschter Überdruck in der Triebwerkskammer entsteht. Aufgrund der beschriebenen Abhängigkeit des Kolbenhubs vom Druck innerhalb der Triebwerkskammer ist es üblich, den Verdichter extern dadurch zu regeln, dass der Druck in der Triebwerkskammer beeinflusst wird. Durch Erhöhung des Drucks innerhalb der Triebwerkskammer wird in das interne Kräfte- und Momentengleichgewicht des Verdichters derart eingegriffen, dass sich der Hub der Kolben reduziert. Der Verdichter wird dadurch „abgeregelt". Umgekehrt verhält es sich bei Reduzierung des Drucks in der Triebwerkskammer. Dadurch lässt sich der Verdichter „aufregeln". Die entsprechenden Regelventile werden beim Stand der Technik elektrisch angesteuert.At the Operation of such a compressor usually causes internal leakage and Losses on. The main reason for this is that when compacting a in the or the cylinder sucked refrigerant usually a so-called partial mass flow through the gap between cylinder and piston enters the engine room of the compressor. This effect is too known as "blow-by" an oil cutter is arranged on the high pressure side of the compressor, there is the Possibility, that unintentionally refrigerant over the oil return in the engine chamber arrives. To in the engine chamber an undesirable overpressure is to be avoided between the engine chamber and the low-pressure or suction side fluid connection provided over the into the engine chamber incoming leakage masses can escape again. In the mentioned fluid connection it is usually a connection hole. The free one Cross section of this hole is generally dimensioned so that even under the most unfavorable Conditions no unwanted overpressure arises in the engine chamber. Due to the described dependency of the piston stroke from the pressure inside the engine chamber, it is common to use the External compressor to regulate the pressure in the engine chamber being affected. By increase the pressure inside the engine chamber is in the internal forces and Moment equilibrium of the compressor intervened such that the stroke of the pistons is reduced. The compressor is thereby "decelerated." Conversely, it behaves while reducing the pressure in the engine chamber. This can be done the compressor "up." The corresponding Control valves are electrically controlled in the prior art.
Dabei erfolgt die Erhöhung des Drucks innerhalb der Triebwerkskammer und damit ein entsprechendes „Abregeln" des Verdichters durch gezieltes Öffnen einer Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und Druck- bzw. Hochdruckseite des Verdichters. In dieser Fluidverbindung ist das erwähnte Regelventil, welches vorzugsweise elektrisch ansteuerbar ist, angeordnet. Dabei sollte sichergestellt werden, dass der Druck in der Triebwerkskammer ein vorbestimmtes Maximalniveau nicht überschreitet. Zu diesem Zweck ist eine Sicherheits-Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und der Saugseite des Verdichters vorgesehen.there the increase takes place the pressure within the engine chamber and thus a corresponding "Abregeln" of the compressor through targeted opening a fluid connection between the engine chamber and printing or High pressure side of the compressor. In this fluid connection is the mentioned control valve, which is preferably electrically controlled, arranged. there should be ensured that the pressure in the engine chamber does not exceed a predetermined maximum level. To this end is a safety fluid connection between engine chamber and provided the suction side of the compressor.
Der Druck in der Triebwerkskammer lässt sich zwischen dem an der Druckseite herrschenden Hochdruck und dem an der Saugseite herrschenden Niederdruck einstellen. Innerhalb dieser Grenzen lässt sich der Verdichter ab- bzw. aufregeln. Die Erhöhung des Drucks in der Triebwerkskammer erfolgt beim Stand der Technik natürlich immer in Relation zu der Druckerhöhung über eine im Querschnitt konstante Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und der Saugseite des Verdichters. Dabei ist zu bedenken, dass bei Aufrechterhaltung des erhöhten Differenzdruckes bedingt durch den konstanten Querschnitt der erwähnten Fluidverbindung beim Abregeln des Verdichters, also bei Erhöhung des Differenzdrucks zwischen Triebwerkskammer und Saugseite der abfließende Massenstrom aus der Triebwerkskammer stetig und signifikant größer wird. Da dieser Massenstrom unmittelbar der Hochdruckseite entnommen werden muß, steht er im System für den eigentlichen Zweck des Verdichters, d.h. Kühlen oder Heizen, nicht mehr zur Verfügung und muß demzufolge als Verlust angesehen werden. Der für das Abregeln des Verdichters erforderliche Massenstrom wird quasi nur verdichterintern von der Hochdruckseite über das Regelventil in die Triebwerkskammer und von dort durch die Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und Saugseite zurück auf die Saugseite gefördert, von wo er erneut angesaugt und verdichtet wird. Zur Verdichtung dieses sog. „Regelmassenstroms" ist zusätzlicher Aufwand erforderlich, der unmittelbar keinen Nutzen schafft.The pressure in the engine chamber can be adjusted between the high pressure prevailing on the pressure side and the low pressure prevailing on the suction side. Within these limits, the compressor can be off or up. Of course, in the prior art, the increase in the pressure in the engine chamber always takes place in relation to the pressure increase via a fluid connection, which is constant in cross-section, between the engine chamber and the suction side of the compressor. It should be noted that while maintaining the increased differential pressure due to the constant cross-section of said fluid connection when Abregelden the compressor, ie increasing the differential pressure between the engine chamber and suction side of the outflowing mass flow from the engine chamber is steadily and significantly larger. Since this mass flow must be taken directly from the high pressure side, it is in the system for the actual purpose of the compressor, ie cooling or heating, no longer available and must demzufol be regarded as a loss. The required for the Abregelden the compressor mass flow is virtually only inside the compressor from the high pressure side via the control valve in the engine chamber and from there through the fluid connection between the engine chamber and suction side promoted back to the suction side, from where it is sucked again and compacted. For compaction of this so-called "mass flow control" additional effort is required, which creates no immediate benefit.
Insbesondere in Mitteleuropa mit verhältnismäßig moderaten Jahresdurchschnittstemperaturen und relativ niedriger mittlerer Luftfeuchtigkeit werden speziell im Bereich von Kraftfahrzeugen eingesetzte Klimaanlagen häufig abgeregelt (mit den oben genannten inhärenten Verlusten bedingt durch das Abregeln). Speziell für dieses Problem soll die vorliegende Erfindung eine einfache, effiziente und kostengünstige Lösung bieten.Especially in Central Europe with relatively moderate Annual average temperatures and relatively lower average Humidity is especially in the field of motor vehicles used air conditioners frequently taxed (with the above-mentioned inherent losses due to the cancellation). Specially for This problem seeks to provide the present invention with a simple, efficient and cost-effective solution Offer.
Ein weiteres Problem neben den energetischen Verlusten stellt die Belastung der Kolben wie auch des „Schwenkscheiben-Mechanismus" dar. Die druckbedingte Hauptkraftrichtung bei Verdichtern liegt axial von der Kolbenober- zur Kolbenunterseite. Der entgegengesetzte Lastfall (in Richtung der Kolbenoberseite) tritt druckbedingt in signifikantem Maße nur beim Abregeln des Verdichters, also bei einer Erhöhung des Drucks in der Triebwerkskammer über dem Druck der Saugseite auf. Von daher ist im abgeregelten Betrieb sicherzustellen, dass die druckbedingten kolbenunterseitig wirkenden Kräfte ein definiertes Maß nicht überschreiten. Dabei muß auch darauf geachtet werden, dass bevorzugt Kolben aus Leichtwerkstoffen, insbesondere Leichtmetall eingesetzt werden sollen, die sowohl energetisch als auch regelungstechnisch vorteilhaft sind. Auch unter diesem Aspekt soll die vorliegende Erfindung eine Lösungsmöglichkeit anbieten.One Another problem in addition to the energy losses is the burden the piston as well as the "swashplate mechanism" is the pressure-related The main force direction of compressors lies axially away from the piston top to the piston bottom. The opposite load case (in the direction the piston top) occurs due to pressure to a significant extent only when Adjusting the compressor, so when increasing the pressure in the engine chamber above the Pressure on the suction side. It must therefore be ensured in regulated operation that the pressure-induced piston underside forces acting do not exceed the defined level. It must also be on it be respected that preferably pistons made of lightweight materials, in particular Alloy should be used, both energetically as also advantageous in terms of control technology. Also under this aspect the present invention is intended to offer a solution.
Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, speziell bei einem extern geregelten Verdichter beliebiger Regelcharakteristik den beim Abregeln auftretenden Verlustmassenstrom zu minimieren und andererseits eine Sicherheitseinrichtung zu schaffen, welche die beim Ansaugprozeß in Richtung der Kolbenoberseite wirkenden druckbedingten Kräfte zu begrenzen bzw. reduzieren vermag.Accordingly The present invention is based on the object, specifically with an externally controlled compressor of any control characteristic to minimize the loss mass flow occurring during the regulation and on the other hand to provide a safety device which in the suction process in Limit the direction of the piston top acting pressure-related forces or can reduce.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwischen Triebwerkskammer und Saugseite eine Fluidverbindung vorgesehen ist, in der ein kontinuierlich arbeitendes Regelventil angeordnet ist, mittels dem ab einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen Triebwerkskammer und Saugseite bei weiter ansteigender Druckdifferenz die Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und Saugseite zunehmend gedrosselt, im Extremfall vollständig geschlossen wird.These Task is according to the invention in a Compressor of the type mentioned solved in that provided between the engine chamber and suction side fluid connection is arranged in which a continuously operating control valve is, by means of from a predetermined pressure difference between Engine chamber and suction side with further increasing pressure difference the fluid connection between the engine chamber and suction side increasingly throttled, in extreme cases completely is closed.
Die beim Stand der Technik vorgesehene „konstante" Öffnung zwischen Triebwerkskammer und Saugseite wird also erfindungsgemäß durch eine „variable Öffnung" ersetzt, und zwar regelungstechnisch dergestalt, dass der Öffnungsquerschnitt mit steigendem Differenzdruck zwischen Triebwerkskammer und Niederdruck- bzw. Saugseite zunehmend verringert wird, wodurch der Verlustmassenstrom annähernd konstant auf dem ursprünglichen Wert gehalten werden kann.The provided in the prior art "constant" opening between engine chamber and suction side is thus according to the invention replaced a "variable opening", namely Control technology such that the opening cross-section with increasing Differential pressure between engine chamber and low pressure or suction side is increasingly reduced, whereby the loss mass flow approximately constant at the original value can be held.
Vorzugsweise öffnet das Regelventil in der Fluidverbindung zwischen Triebwerkskammer und Saugseite bei einer vorbestimmten überhöhten Druckdifferenz zwischen Triebwerkskammer und Saugseite erneut, so dass einer Schädigung oder Zerstörung der Kolben entgegengewirkt wird. Der Grundgedanke ist also der, dass bei überhöhtem Differenzdruck zwischen Triebwerkskammer und Saugseite mindestens eine im Normalbetrieb nicht wirksame Öffnung in Funktion tritt, durch die ein Abströmen von Masse aus der Triebwerkskammer möglich ist derart, dass der Druck in der Triebwerkskammer wieder auf einen niedrigeren Betriebsdruck absinkt. Bei dieser Maßnahme handelt es sich um eine Sicherheitsmaßnahme, um den Verdichter bzw. die Triebwerkskammer vor unerwünschtem Überdruck zu bewahren.Preferably, this opens Control valve in the fluid connection between engine chamber and suction side at a predetermined excessive pressure difference between the engine chamber and suction side again, so that damage or destruction of the Piston counteracted. The basic idea is that of at excessive differential pressure between the engine chamber and suction side at least one in normal operation ineffective opening enters into function, by which an outflow of mass from the engine chamber possible is such that the pressure in the engine chamber returns to a lower operating pressure drops. This measure is one Safety around the compressor or the engine chamber against undesirable overpressure to preserve.
Weitere Details der Erfindung, insbesondere konstruktiver Art sind in den Ansprüchen 3 ff. angegeben. Auf diese Details wird auch im Laufe der weiteren Beschreibung der Erfindung, insbesondere anhand von Ausführungsbeispielen noch gesondert Bezug genommen. Diesbezüglich wird auf die anliegende Zeichnung verwiesen.Further Details of the invention, in particular constructive type are in the claims 3 ff. Indicated. These details will also be discussed over the course of time Description of the invention, in particular based on exemplary embodiments still referred to separately. In this regard, the attached Drawing referenced.
Diese zeigt in:These shows in:
Betrachtet
man den Verlustmassenstrom für typische
Betriebsbedingungen eines Verdichters, insbesondere Axialkolbenverdichters
für Fahrzeug-Klimaanlagen,
so lässt
sich feststellen, dass für
einen Abregelbereich der Einfluß unterschiedlicher
Temperaturen und Eintrittszustände
gering ist. Wie
Zieht man als Referenz bei der Auslegung eine mittlere Bedingung heran, so ist für den üblichen Abregelbereich gemeinhin die maximale Abweichung der real auftretenden „Extrempunkte" für den üblichen Abregelbereich weniger als etwa 2 % (relativ).attracts a mean condition is used as a reference in the interpretation, so is for the usual Abregelbereich commonly the maximum deviation of the actually occurring "extreme points" for the usual Slope range less than about 2% (relative).
Der
Umstand, dass der Differenzdruck zwischen Triebwerkskammer und Saugseite
wesentlich für
den Verlustmassenstrom verantwortlich ist, lässt sich mit Hilfe eines mechanischen
Regelventils entsprechend
Der
Kolben
Die
Federelemente
Der
Ventilkörper
Der
Kolben
In
Sofern
der Druck zwischen Triebwerkskammer und Saugseite ausgeglichen ist,
wird der Kolben
Gewöhnlich ist
ein Mindestdifferenzdruck zwischen Triebwerkskammer und Saugseite
erforderlich, um eine Reduzierung des Verdichterhubes zu bewirken.
Diese Mindest-Druckdifferenz
sollte bei der Auslegung des beschriebenen mechanischen Regelventils
berücksichtigt
werden. Zum einen sollte auslegungsgemäß bei der genannten Mindest-Druckdifferenz
der bzw. die im Kolbenmantel
Die
Auslegung der Durchgangsöffnung
im Kolbenmantel
Beim
Abregelvorgang erhöht
sich der Differenzdruck zwischen Triebwerkskammer und Saugseite.
Ein möglicher
Kräfteverlauf
von Feder- und Druckkräften
im Regelventil
Die
Einbaulage des Regelventils
Wie
der
Da
der abfließende
Massenstrom mit Hilfe des beschriebenen Regelventils
Bei
der Ausführungsform
gemäß
Im übrigen ist
das Regelventil gemäß
Durch das beschriebene Regelventil wird noch ein weiterer Vorteil erzielt, nämlich den Vorteil, dass der Massenstrom zwischen Triebwerkskammer und Verdichtersaugseite stark reduziert ist. Dadurch wird auch der Ölmassenstrom, d.h. die mit dem Gasstrom mitgeführte Ölmenge entsprechend reduziert. Dies wirkt sich einerseits positiv auf die Gesamtleistung sowie das thermische Verhalten des Verdichters und damit einer Fahrzeug-Klimaanlage, und zum anderen vorteilhaft auf die Lebensdauer des Verdichters aus.By the described control valve is achieved a further advantage namely the advantage that the mass flow between engine chamber and Compressor suction side is greatly reduced. As a result, the oil mass flow, i.e. the entrained with the gas flow amount of oil accordingly reduced. This has a positive effect on the overall performance as well as the thermal behavior of the compressor and thus a vehicle air conditioning system, and on the other beneficial to the life of the compressor out.
Das beschriebene Regelventil lässt sich als vorgefertigte Baueinheit zur Verfügung stellen. Innerhalb des Kolbens oder auch des Zylinderraums lassen sich weitere Elemente integrieren, wie Ölabscheider, Partikelfilter od. dgl..The described control valve leaves to make themselves available as a prefabricated unit. Within the Piston or the cylinder chamber can be further elements integrate, like oil separators, Particle filter or the like ..
Der
Ventilkörper
Bei
Verwendung von metallischen Werkstoffen für den Kolben
Natürlich kann
die mit der Triebwerkskammer
Des
weiteren kann die Verbindung zwischen der Außenseite des Kolbenbodens
Es
gibt drei signifikante Positionen des Kolbens
- – Mittellage
bei Druckausgleich zwischen Triebwerkskammer und Saugseite (vollwirksamer Öffnungsquerschnitt
des Durchgangs
20 im Kolbenmantel19 ) - – Arbeitspunkt
bei anliegender Druckdifferenz zwischen Triebwerkskammer und Saugseite
(Öffnungsquerschnitt
des Durchgangs
20 ist reduziert) - – Sicherheitsposition
bei ungewollt hoher Druckdifferenz zwischen Triebwerkskammer und
Saugseite (nur der Sicherheitsschlitz
27 wird wirksam)
- - Center position at pressure equalization between the engine chamber and suction side (fully effective opening cross section of the passage
20 in the piston skirt19 ) - - Working point at applied pressure difference between engine chamber and suction side (Öff cross section of the passage
20 is reduced) - - Safety position with unintentionally high pressure difference between the engine chamber and suction side (only the safety slot
27 becomes effective)
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.All Features disclosed in the application documents are considered to be essential to the invention as far as they are individually or in combination with respect to State of the art are new.
- 1010
- Regelventilcontrol valve
- 1111
- Zylinderraumcylinder space
- 1212
- Leitungmanagement
- 1313
- Leitungmanagement
- 1414
- Kolbenpiston
- 1515
- SchraubendruckfederHelical compression spring
- 1616
- SchraubendruckfederHelical compression spring
- 1717
- TriebwerksraumMachine Room
- 1818
- Saugseitesuction
- 1919
- Kolbenmantelpiston skirt
- 2020
- (schlitzförmiger) Durchgang(Slit-shaped) passage
- 2121
- Innenrauminner space
- 2222
- offene Stirnseiteopen front
- 2323
- Kolbenbodenpiston crown
- 2424
- Verbindungsleitungconnecting line
- 2525
- Ventilkörpervalve body
- 2626
- Verschlußstopfenplugs
- 2727
- Sicherheitsschlitzsecurity slot
Claims (15)
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