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1. WO2006079525 - AXIALKOLBENVERDICHTER

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

„ Axialkolb enverdichter "

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere einen Verdichter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Beispiel für einen derartigen Axialkolbenverdichter ist ans der DE 197 49 727 Al bekannt. Dieser umfaßt ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete, über eine Antriebswelle angetriebene Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels. Die Verdichtereinheit wird im wesentlichen durch den Druck Pc in einer Triebwerkskammer jeweils abhängig von der Last bzw. der Drehzahl des Verdichters geregelt, wobei auch ein Saugdruck PV1 und ein Hochdruck PV2, welche an der Saug- bzw. Auslaßseite des Verdichters vorherrschen Einfluß auf die Regelung des Verdichters nehmen. Die Regelung erfolgt über eine Änderung des Kolbenhubs des Verdichters, welcher von der Auslenkung einer Schwenkscheibe aus einer Null-Position bestimmt ist.

Bei einem solchen Axialkolbenverdichter kommt es jedoch dazu, daß aufgrund der im Verdichter vorherrschenden Kräfteverhältnisse, insbesondere aufgrund von Fliehkräften, der Verdichter bei hohen Drehzahlen eine aufregelnde Tendenz aufweist, d.h. daß der Verdichter eine Tendenz hin zu einem größeren Kolbenhub und somit zu einem höheren Druck auf der Hochdruckseite aufweist.

In der DE 195 14 748 C2 werden die grundsätzlich bei allen nach dem Stand der Technik existierenden Verdichtern der Schwenkscheiben-Bauart an der Schwenkscheibe wirksamen Kippmomente erläutert, die maßgeblich zum Kipp- bzw. Schwenkverhalten der Schwenkscheibe beitragen. Das in der besagten Druckschrift beschriebene Kippverhalten des Verdichters kann als exemplarisch für Verdichter der Schwenkscheiben-Bauart angesehen werden. Im allgemeinen sind es die folgenden Momente, die im Zentrum der Kippbewegung der Schwenkscheibe Einfluß auf das Kippen der Schwenkscheibe haben. In Klammern ist die Richtung des Momentes angegeben, wobei (-) abregelnd, d.h. in Richtung des Minimalhubs, und (+) aufregelnd, d.h. in Richtung des Maximalhubs der Kolben bedeutet. Im wesentlichen spielen folgende Momente eine Rolle:

Moment infolge der Gaskräfte in den Zylinderräumen (+)
- Moment infolge der Gaskräfte aus dem Triebwerksraum (-)
Moment infolge einer Rückstellfeder (-) bzw.
Moment infolge einer Aufstellfeder (+)
Moment infolge der rotierenden Massen (-), wobei hierzu beispielsweise die
Schwenkscheibe gehört (inklusive eines Moments infolge der Schwerpunktlage, wobei dieser Anteil beispielsweise gemäß der DE 195 14 748 C2 positiv, d.h. (+) sein kann)
Moment infolge der translatorisch bewegten Massen (+), wozu beispielsweise
Kolben, Gleitsteine oder auch eine oszillierende Taumelscheibe gehören können.

Wie der oben stehenden Auflistung entnommen werden kann, ist das Moment infolge der rotierenden Massen, das in der Folge als Msw bezeichnet wird, im allgemeinen über einen weitgehenden Kippewinkelbereich abregelnd wirksam. Lediglich im Bereich sehr kleiner Kippwinkel kann zum Beispiel durch eine exponierte Schwerpunktslage (Steineranteil bei der Berechnung des Deviationsmomentes Jy2) bei der Schwenkscheibe ein aufregelndes Moment erzeugt werden. Weiterhin ist in der DE 195 14 748 C2 ein Verlauf für das Moment aufgrund translatorisch bewegter Massen angegeben. Dieses ist, wie bereits erläutert, aufregelnd wirksam.

Weiterhin von Interesse ist die Momentensumme, die beim Gegenstand der DE 195 14 748 C2 für den gesamten Kipp winkelb er eich der Schwenkscheibe für ein aufregelndes Verhalten des Verdichters verantwortlich ist, da die translatorisch bewegten Massen in einem weiten Kipp winkelb er eich das Regelverhalten dominieren.

In bezug auf den Stand der Technik, insbesondere gemäß der DE 195 14 748 C2, ist es dabei nachteilig, daß bei Erhöhung des Fördervolumens infolge einer Drehzahlerhöhung eine zusätzliche Erhöhung des Fördervolumens infolge eines vergrößerten Schwenkschei-benkippwinkels hinzukommt. Dies muß durch entsprechende Regeleingriffe kompensiert werden, was aufwendig ist, die Effizienz des Aritriebsmotors vermindert und somit den Kraftstoffverbrauch erhöht.

Aus der EP 0 809 027 Al ist ein Verdichter bekannt, bei dem versucht wird, die Förder-menge des Verdichters durch das dynamische Verhalten des Verdichtertriebwerks zu kompensieren, so daß die Fördermenge des Kältemittels bzw. der Kältemittelmassenstrom konstant gehalten werden kann. Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehgeschwindigkeiten wird angeregt, das rückstellende Drehmoment der Taumelscheibe auszunutzen, das ihrer Schrägstellung aufgrund dynamischer Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt.

Aus der DE 198 39 914 Al sind Maßnahmen bekannt, wie ein derartiges Regelverhalten, d.h. also zumindest eine teilweise Kompensation der Fördermenge erreicht werden kann. Es wird vorgeschlagen, die Bauteilmasse der Schwenkscheibe im Hinblick auf die trans-latorisch bewegten Massen so zu dimensionieren, daß die Fliehkräfte der Schwenkscheibe das Regelverhalten der Schwenkscheibe beeinflussen. Gemäß der DE 198 39 914 Al wird angeregt, daß die rotierende Masse der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils der Schwenkscheibe größer ist als die gemeinsame Masse aller Kolben, so daß die beim Drehen der Schwenkscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewe-gung der Schwenkscheibe bewußt regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.

Aus der DE 103 29 393 Al, welche auf die Anmelderin zurückgeht, wird weiterhin dar-gelegt, warum die Bauteilmasse nicht der bevorzugte Parameter sein sollte, um das Regelverhalten des Triebswerks infolge von Drehzahlschwankungen wie gewünscht zu beeinflussen. Das gewünschte Regelverhalten des Verdichters wird gemäß der DE 103 29 393 Al primär nicht mit der Bauteilmasse der Schwenkscheibe in Relation zu den translatorisch bewegten Massen erreicht, sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheits-momentes der Anordnung der Schwenkscheibe, welches mehr von der Geometrie derselben abhängt als von ihrer Bauteilmasse. Ein Kerngedanke innerhalb dieser Anmeldung ist es, bei Drehzahlschwankungen oder Drehzahländerungen das Moment infolge translatorisch bewegter Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren oder auch zu überkompensieren. Bei neuartigen Verdichtern ist es nämlich er-wünscht, die Häufigkeit und die Intensität von Regeleingriffen auf ein niedriges Niveau zu reduzieren.

An dieser Stelle sei auf die EP 0 809 027 Al zurückgekommen, in weichet das Ziel vorgegeben wird, eine Konstantregelung der Fördermenge zu erreichen. Es läßt sich jedoch einfach nachweisen, daß allein durch das an der Schwenkscheibe angreifende Aufstellmoment ein entsprechendes Abregein nicht möglich ist. Das Fördervolumen verhält sich direkt proportional zu der Drehzahl, d.h. also, daß wenn sich die Drehzahl verdoppelt, sich auch das Fördervolumen verdoppelt. Für das Kippmoment der Schwenkscheibe, welches durch das relevante Deviationsmoment ausgelöst wird, gilt jedoch die folgende Gleichung: Msw = Jyz ω2. Da die Drehzahl quadratisch das Kippmoment beeinflußt, ist das Ziel einer Konstantregelung der Fördermenge allein durch die Konstruktion oder Dimensionierung einer entsprechenden Schwenkscheibe nicht zu erreichen.

Die bereits vorstehend diskutierten Gegenstände der DE 198 39 914 Al sowie der

DE 103 29 393 Al zeigen Lösungsansätze und Konstruktionen für das in der
EP 0 809 027 Al formulierte Ziel. Tendenziell läßt sich bei Drehzahlschwankungen, beispielsweise also bei einer Erhöhung der Drehzahl an der Verdichterwelle der
Kippwinkel der Schwenkscheibe entweder vergrößern (beispielsweise gemäß
DE 195 14 748), was unerwünscht ist, oder aber gemäß der DE 198 39 914,
DE 103 29 393 oder EP 0 809 027 Al verkleinern, wobei anzumerken ist, daß auch eine Verkleinerung bzw. eine tendenzielle Verkleinerung des Kippwinkels bzw. Auslenk-winkeis der Schwenkscheibe nur bedingt sinnvoll ist. Auf jeden Fall ist das gewünschte Ziel nur durch eine aufwendige Konstruktion, welche insbesondere hinsichtlich einer Rücksichtnahme auf Momentenverteilungen auch hochpräzise ausgewogen sein muß, möglich. Dies führt zu einer relativ teuren Herstellung von Verdichtern gemäß dem Stand der Technik.

In der (unveröffentlichten), auf die Erfinderin zurückgehenden Patentanmeldung
DE 103 47 709 wird vorgeschlagen, die wirksamen Momente infolge der Massenkräfte, bzw. die Momente infolge der Deviationsmomente, so abzustimmen, daß sich der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe bei wechselnden Drehzahlen weitgehend nicht ändert. Beim Gegenstand der DE 103 47 709 wurde erkannt, daß ein derartiges Regelverhalten ein optimales Triebwerksverhalten darstellt, um so den Massenstrom eines Kältemittelverdichters optimal regeln zu können.

In Fig. 15 ist schematisch dargestellt, wie ein Verdichter 101 der beschriebenen Bauart geregelt wird. Ein solcher Verdichter stellt im Betrieb ein Sauggasdruckniveau sowie ein Hochdruckniveau bereit. Ebenso weist auch der Kältemittelkreislauf diese Drucklagen auf. Eine gewisse Druckanpassung bzw. eine Druckeinstellung erfolgt mittels eines Expansionsotgans 103, welches wiederum auf Änderungen des Betriebszustands des Verdichters reagiert und gegebenenfalls regelnd eingreift. Im Verdichtertriebwerksraum wird beispielsweise durch Regelventile am Verdichter ein Druck eingestellt, der zwischen dem Sauggasdruckniveau und dem Hochdruckniveau liegt. Der Triebswerksraumdruck greift in das Kräftegleichgewicht bzw. das Momenten-Gleichgewicht an der Schwenkscheibe derart ein, daß der Kippwinkel der Schwenkscheibe verstellt werden kann. Wird der Triebwerksraumdruck geringfügig über dem Saugdruck eingestellt, so wird die Schwenkscheibe auf maximalen Kippwinkel verstellt. Wird der Triebwerksraumdruck deutlich über dem Saugdruck eingestellt, so wird die Schwenkscheibe auf minimalen Kippwinkel verstellt. Die Regelung erfolgt durch die möglichen Volumenströme zwischen den einzelnen Kammern bzw. Drucklagen. Im Weiteren stellen die Bezugszeichen 102 einen
Gaskühler /Verflüssiger, 104 einen Verdampfer und 105 eine Regelstrecke dar. Alternativ zu der durch die durchgezogene Linie gekennzeichneten Regelstrecke zwischen dem Gaskühler /Verflüssiger 103 und dem Druckniveau PV1, in der PV1 als Sollwert gewählt ist, ist eine zweite Alternative für eine Regelstrecke 105 gestrichelt eingezeichnet, welche PV2 als Sollwert aufweist. Eine derartige Regelstrecke ist insbesondere für das Kältemittel CO2 gängiger. Das beschriebene Modell ist hier vereinfacht dargestellt und als beispielhaft anzusehen.

Da sich beim Betrieb des Verdichters bzw. dem Betrieb des Fahrzeugs nahezu permanent die Drehzahl des Verdichtertriebwerks bzw. des Fahrzeugmotors ändert, sind bei Verdichtern nach dem Stand der Technik permanent Regeleingriffe notwendig, um z. B. eine konstante Förderleistung des Verdichters sicherzustellen oder den Sollwert zu halten. Da der Triebwerksraum ein vergleichsweise großes Volumen aufweist, ist die Regelung durch eine entsprechende Anpassung des Triebwerksraumdrucks träge und es kommt zu starkem Üb er schwingen. Demnach ist eine konstante Förderleistung des Verdichters nur unter schwierigen Umständen zu erzielen. Ebenso vermindern die Regeleingriffe die Leistung des Fahrzeugs bzw. konsumieren Leistung des antreibenden Motors.

Ausgehend von dem vorstehend diskutierten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter (insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen Schwenkscheibenverdichter mit veränderlichem Kolbenhub) für die Anwendung in Fahrzeugklimaanlagen bereitzustellen, der eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserte Regelgeschwindigkeit aufweist und den Kältemittelmassenstrom in weiten Drehzahlbereichen ohne erheblichen Leistungs Verlust konstant halten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterentwicklungen und Details der Erfindung in den Unteransprüchen beschrieben sind.

Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung ist es also, daß ein Verdichter mit einer Verdichtereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 eine zusätzliche Regel- und/oder Steuereinrichtung für den sauggas seitigen Kältemittelmassenstrom und/oder den Druck an der Saugseite und/oder die Saugdichte aufweist. Durch eine derartige konstruktive Maßnahme ist neben einer Drosselung des Kältemittelmassen-Stroms ein Abregeleffekt (der den Großteil des Gesamteffekts ausmacht) bedingt, der sich aus der Nutzung der durch die Drosselung bedingten Druckdifferenz zwischen Druckseite bzw. dem an der Auslaßseite anliegenden Druck (P V2) und Saugseite bzw. dem auf den Kolben einwirkenden Druckniveau PV1* ergibt. Zur Illustration sei eine erfindungs-gerαäße Konstruktion nachstehend auf einen Axialkolbenverdichter angewandt betrachtet, wobei angemerkt sei, daß dies keineswegs einschränkend ausgelegt werden darf, da eine erfindungsgemäße Konstruktion auf eine ganze Reihe von Verdichtern einer anderen Bauart ebenfalls angewandt werden kann. Strömt das Kältemittel mit einem geringeren Druckniveau bzw. einer geringeren Saugdichte in die Zylinder des Axialkolbenverdichters ein, so weist der Verdichter bei einem gleichbleibenden Druck in der Triebwerkskammer die Tendenz auf, abzuregein, d.h. also den Kolbenhub zu verkleinern. Demnach greift die Begrenzung des Kältemittelmassenstroms bzw. des Saugdrucks direkt in die Regelung des Verdichters ein. In anderen Worten ausgedrückt, führt eine Veränderung des Volumenstroms in der Hauptsache zu einer Änderung der den Verdichter regelnden Druckdifferenz und damit zu einer vorbestimmten Regelcharakteristik.

In einer bevorzugten Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Verdichters umfaßt die Regeleinrichtung eine Drosselstelle mit einem Stellglied. Insbesondere kann es sich bei der Drosselstelle um ein Drosselventil oder eine Drosselklappe handeln. Weiterhin ist auch ein Druckminderer denkbar. Das Stellglied sorgt für die Regelung des Kältemittel-massenstroms bzw. des Saugdrucks der auf den Kolben einwirkt (P V1*). Eine derartige

Maßnahme ist konstruktiv leicht umsetzbar und gewährleistet geringe Herstellungskosten.

Optional stellt das Stellglied der Regeleinrichtung den Kältemittelmassenstrom bzw. den Saugdruck drehzahlabhängig ein. Drehzahlen sind eine leicht zugängliche Regelgröße. Eine Detektierung von Drehzahlen kann beispielsweise durch die Erzeugung elektrischer Impulse (Induktionsprinzip) erfolgen, es ist beispielsweise jedoch auch eine direkte, fliehkraftabhängige Regelung denkbar. Durch eine drehzahlabhängige Regelung sind damit vielfältige konstruktive Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verdichters erschlossen, wobei auch hier niedrige Herstellungskosten einen Vorteil bieten.

Die Drosselstelle weist vorzugsweise einen dem Stellglied zugeordneten Anschlag für eine Stellung minimalen Strömungsquerschnitts auf, wobei dieser derart angeordnet ist, daß auch bei sehr hohen Drehzahlen des Verdichters ein vorbestimmter minimaler Kältemittelmassenstrom bzw. Saugdruck gewährleistet ist. Damit ist auf einfache Art und Weise sichergestellt, daß der Verdichter auch bei sehr hohen Drehzahlen nicht aufgrund der Drosselstelle bzw. der zusätzlichen Regeleinrichtung automatisch vollständig abregelt.

Das Stellglied ist in einer einfachen und damit kostengünstig zu produzierenden Variante eines erfindungsgemäßen Verdichters ein Stellkolben, welcher insbesondere in Form eines Stufenkolbens vorliegen kann.

Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Regeleinrichtung ist die besagte Steuereinrichtung für eine Steuerung bzw. eine Begrenzung des sauggasseitigen Kältemittelmassenstroms bzw. des Saugdrucks bzw. die Saugdichte vorgesehen. Eine Steuereinrichtung weist in der Regel einen konstruktiv einfachen Aufbau auf. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Steuereinrichtung wenigstens ein sauggasseitig angeordnetes Ein-laßventil. Die Steuereinrichtung kann in dem bzw. den Einlaßventil(en) integriert sein. Bevorzugt ist das Einlaßventil ein druckgesteuertes Lamellenventil, das in einer konstruktiv einfachen Variante durch eine Ventilplatte mit Durchgangsdrosselbohrung und eine Sauglamelle gebildet ist. Die Sauglamelle ist vorzugsweise zungenförmig ausgebildet.

Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verdichter um einen Verdichter mit Kolben, insbesondere einen Axialkolbenverdichter, welcher einen Zylinderblock und wenigstens einen, insbesondere aber 5 bis 9 Kolben aufweist, welche in im Zylinderblock vorgesehenen Bohrungen axial hin- und herbewegbar sind, kann optional jedem Zylinder ein Einlaßventil zugeordnet sein, wobei die entsprechenden Sauglamellen für die Zylinder in ei-ner Sauglamellenplatine integriert sind. Dadurch verringert sich die benötigte Anzahl der Einzelteile für einen erfindungsgemäßen Verdichter, was die Herstellungskosten senkt. Das dem Einlaßventil zugeordnete bzw. zugewandte Ende des bzw. jedes Zylinderraums umfaßt in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine ringförmige Erweiterung, die zur Befestigungsstelle der Sauglamelle hin abgeschrägt bzw. abgeflacht sein kann. Dadurch kann der Hub der Sauglamelle effektiv begrenzt werden.

Wiederum unter der Voraussetzung, daß es sich um einen Verdichter handelt, welcher Kolben umfaßt, ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Kolbendurchmesser und Kolbenhub in etwa 0,4 bis 1,5, insbesondere in etwa 0,65 bis 1,1 beträgt. Das Verhältnis von Kolbendurchmesser und Durchgangsdrosselbohrung in der Ventilplatte beträgt vorzugs-weise in etwa 1,5 bis 5, insbesondere 2,5 bis 4. Das Verhältnis von Durchgangsdrosselbohrung in der Ventilplatte und dem Hub der Sauglamelle beträgt in einer weiteren bevorzugten Aus führungs form etwa 2,5 bis 8, insbesondere 3,7 bis 6,7. Das Verhältnis von Kolbenhub zum Hub der Sauglamelle kann in etwa 10 bis 30, insbesondere 14 bis 24 betragen. Die vorstehend beschriebenen Verhältnisse, d.h. also die geometrischen Eigen-schaften des vorstehend beschriebenen Verdichters sind energetisch insbesondere für

Verdichter mit CO2 als Kältemittel günstig. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung auch eine sauggasseitig angeordnete Blende umfassen, welche den Kältemittelmassenstrom bzw. Saugdruck bzw. die Saugdichte entsprechend definiert.

Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verdichter um einen Verdichter, welcher eine Schwenkscheibe aufweist, so ist der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe, welche den Kolbenhub des Verdichters bestimmt, weitestgehend durch die Interaktion des Drucks Pc in einem im wesentlichen die Schwenkscheibe aufnehmenden Triebwerksraum einerseits und des Kältemittelmassenstroms auf der Saugseite bzw. des Saugdrucks PVi* andererseits bestimmt. Eine weitere am Kolben angreifende Kraft wird durch den Druck PV2 an der Hochdruckseite erzeugt. Durch eine Regelung des Drucks im Triebwerksraum einerseits und eine Regelung bzw. Steuerung des Saugdrucks PV1* andererseits kann somit eine ideale Regelung des Kolbenhubs verwirklicht werden, wobei für „größere" Regeleingriffe eine Änderung des Drucks in der Triebwerkskammer bzw. im Triebwerksraum zu bevor-zugen ist, während eine Feinabstimmung durch eine schnelle Regelung bzw. die durch die Steuereinrichtung definierte Begrenzung des Saugdrucks erfolgen kann. Wie bereits ausgeführt, ist die Regelung bzw. Steuerung des Saugdrucks mit einer deutlich geringeren Last für den Motor verbunden als die Regelung des Drucks in der Triebwerkskammer, so daß schnelle kleine Regeleingriffe ohne größere Leistungsverluste durchführbar sind bzw. erst gar nicht nötig werden.

Die Regeleinrichtung kann von außerhalb des Verdichters betätigbar bzw. ansteuerbar sein. Insbesondere kommt hierfür eine Magnetspule oder dgl. Vorrichtung in Frage. Eine einfache Wartung und ein einfacher Austausch der Betätigungseinrichtung für die
Regeleinrichtung ist damit gewährleistet.

Bei einer konstruktiv einfachen und demnach bevorzugten Aus führungs form umfaßt die Regel- und/oder Steuereinrichtung einen sauggasseitigen Olabscheider, der multifunktionale Bedeutung aufweist. Einerseits wird Öl, welches im Sauggas vorhanden ist, abgeschieden, andererseits kann dadurch gleichzeitig einen Druckregulierung bzw. eine Regu-lierung des Kältemittelmassenstroms erfolgen.

In einer Variante eines erfindungsgemäßen Verdichters ist die Regeleinrichtung selbstregulierend und insbesondere abhängig von der Differenz der Drücke an der Auslaß- bzw. Hochdruckseite einerseits und der Einlaß- bzw. Saugseite des Verdichters andererseits. Damit wird unter Berücksichtigung der wichtigsten Betriebsparameter eine sichere Regelung des Verdichters gewährleistet.

Vorzugsweise ist, insbesondere im Falle eines Verdichters der Schwenkscheiben-Bauart, eine Momentenverteilung der rotatorisch und der translatorisch bewegten bzw. bewegba-ren Bauteile des Verdichters derart ausgeprägt, daß bei einer Erhöhung der Verdichterdrehzahl eine im Wesentlichen konstante Regelcharakteristik gewährleistet ist (d. h. ausgeglichene Momente). Wiederum am Beispiel eines Schwenkscheibenverdichters erläutert, heißt dies, daß der Kippwinkel der Schwenkscheibe im wesentlichen gleich bleibt oder abnimmt. Somit sind in einer günstigen Merkmalskombination eines erfindungsgemäßen Verdichters (wiederum am Beispiel des Schwenkscheibenverdichters erläutert) drei

Mechanismen gegeben, die die Regelung des Verdichters beeinflussen, nämlich einerseits der Kältemittelmassenstrom an der Sauggasseite bzw. der Saugdruck PV1*, welcher erfindungsgemäß Steuer- bzw. regelbar ist , sowie der Druck in der Triebwerkskammer und die Momentenverteilung der Komponenten des Verdichters. Dies bedeutet, daß aufgrund der Bauweise der Schwenkscheibe bzw. der Kolben die Momentenverteilung bzw. das

Momentenverhältnis bewirkt, daß der Verdichter sich in Bezug auf die Drehzahl neutral verhält, d. h. insbesondere nicht aufregelt. Eine Abregeltätigkeit wird bei Bedarf durch einen entsprechenden Regeleingriff für den Druck Pc im Triebwerksraum unterstützt, wobei insbesondere kleinere Regeleingriffe über die Justierung bzw. definierte Steue-rung/Begrenzung des Saugdrucks PV1* ohne nennenswerte Leistungsverluste des Motors erfolgen können.

Die Regel- und/oder Steuereinrichtung kann in einem sich vornehmlich im Zylinderkopf des Verdichters erstreckenden Sauggaskanal angeordnet sein. Der Sauggaskanal verbindet einen Sauggaseinlaß des Verdichters mit einer Sauggaskammer, die den Einlaßöffnungen der einzelnen Zylinder vorgeschaltet bzw. vor diesen angeordnet ist.

Die Regeleinrichtung kann des weiteren Mittel zum Messen des Kältemittelmas senstroms und/oder des Drucks im Sauggaskanal (sowohl beidseitig der Drosselstelle als auch nur auf einer Seite der Drosselstelle) und/oder der Drehzahl des Verdichters und/oder des diesen antreibenden Motors und/oder eines Verdichterausgangs seitigen Druckes umfas-sen. Je nach der konkreten Bauart des Verdichters ist somit eine Regelung desselben auf Basis einer leicht zugänglichen Größe möglich.

Das Stellglied der Regeleinrichtung wirkt optional gegen die Kraft eines elastischen Elementes, insbesondere gegen die Kraft einer Feder. Dies ermöglicht einen weiten Bereich verschiedener Regelcharakteristiken (je nachdem, welche Charakteristik das elastische Element aufweist) und stellt gleichzeitig eine einfach zu realisierende selbsttätige Regelung des Stellgliedes dar. In einer bevorzugten Aus führungs form hiervon ist die Kraft des elastischen Elements insbesondere durch eine Stellschraube oder dgl. Vorrichtung einstellbar. Dadurch wird gewährleistet, daß mit ein und demselben Aufbau verschiedene Regelcharakteristiken einfach eingestellt werden können. Auch Toleranzen bei der Herstellung des elastischen Elements bzw. der Eigenschaften des elastischen Elements können somit leicht ausgeglichen werden, da eine Feineinstellung der Charakteristik des elastischen Elements möglich ist.

In einer konstruktiv besonders einfach realisierbaren Bauform ist das Stellglied zwischen Druckgas- und Sauggasseite angeordnet und wird damit durch die Beaufschlagung mit den Drücken einerseits der Druckgasseite und andererseits der Sauggasseite selbsttätig (ggf. gegen die Wirkung des elastischen Elements) geregelt.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form umfasst die Regel- bzw. Steuereinrichtung eine Drosselstelle mit konstantem Querschnitt. Diese Drosselstelle kann beispielsweise als einzige regelnde Einrichtung bei einem erfindungsgemäßen Verdichter vorliegen oder aber auch in Kombination mit einer Drosselstelle, welche ein Stellglied umfasst. Insbesondere bei Verdichtern mit einem hohen Arbeitsdruck also beispielsweise Ver-dichtem, welche CO2 als Kältemittel verwenden, kann bereits durch diese einfache konstruktive Maßnahme der gewünschte Erfolg erzielt werden. Optional sind die Saugleitung und/oder eine Verbindung zwischen dem Verdichter und einem Verdampfer ein
Bestandteil der Regeleinrichtung, wobei insbesondere im Fall einer Drosselstelle mit konstantem Querschnitt eine effiziente Regelung des Verdichters durch eine entsprechende Auslegung der Saugleitung und/oder der Verbindung zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer erzielt werden kann.

Eine besonders effiziente Variante eines erfindungsgemäßen Verdichters ergibt sich, wenn an beiden Seiten der Regeleinrichtung eine Druckdifferenz von etwa 1 bar bei einer Verdichterdrehzahl von etwa 600 U/min und/oder von etwa 10 bar bei etwa 8000 U/min vorliegt. Die Regeleinrichtung bzw. Drosselstelle umfasst vorzugsweise eine Rohrleitung mit einem Rohrquerschnitt von etwa 8 mm bis 10 mm, wobei dies insbesondere im Falle einer Drosselstelle mit konstantem Querschnitt eine gewünschte Regelcharakteristik sicherstellt. Wie bereits vorstehend erwähnt findet in einer besonderen Bauform eines erfindungsgemäßen Verdichters CO2 als Kältemittel Verwendung.

Ein besonders effizient und mit wenigen Regeleingriffen betreffend den Druck Pc im Triebwerksraum auskommender Verdichter ergibt sich, wenn ein Moment infolge der rotatorischen bewegten Bauteile des Verdichters im wesentlichen gleich groß ist wie ein Moment aufgrund der translatorisch bewegten Bauteile des Verdichters d. h. wenn sich der Verdichter in seinem Regelverhalten drehzahlneutral verhält.

Die Erfindung wird nachfolgend in Hinsicht auf weitere Vorteile und Merkmale beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine erste bevorzugte Aus führungs form eines erfindungsgemäßen
Verdichters in einer Schnittansicht;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer zweiten bevorzugten Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Verdichters;

Fig.3 Darstellung eines für die Berechnung der Momentenverhältnisse maßgeblichen Koordinatensystems;

Fig. 4 Schnitt- und Explosionsdarstellung eines Schwenkscheibenmechanismus;

Fig. 5 bis Fig. 7 die Regelcharakteristik eines Verdichters für verschiedene
Momentenverteilungen der translatorisch und rotatorisch bewegbaren Komponenten des Verdichters;

Fig.8 einen Kolben eines Verdichters der ersten oder zweiten bevorzugten
Aus führungs form mit den auf ihn einwirkenden Druckverhältnissen;

Fig.9a bis 9c ein Massenstrom-Diagramm, ein p-V-Diagramm und eine Regelcharakteristik eines erfindungsgemäßen Verdichters;

Fig. 10 bis 13 weitere Beispiele für Regelcharakteristiken eines Verdichters, der bei
zunehmender Drehzahl eine aufregelnde Tendenz aufweist, und
eines Verdichters, der eine abregelnde Tendenz zeigt; und

Fig. 14 eine schematische Detaildarstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß eine erste bevorzugte Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Verdichters ein Gehäuse 1, einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 umfaßt. Im Zylinderblock 2 sind Kolben 4 axial hin- und herbewegbar gelagert. Der Antrieb des Verdichters erfolgt über eine Riemenscheibe 5 mittels einer Antriebswelle 6. Bei dem vorliegenden Verdichter handelt es sich um einen Verdichter mit variablem Kolbenhub, wobei der Kolbenhub durch einen Auslenkwinkel einer Schwenkscheibe 7 bestimmt ist. Die Schwenkscheibe 7 steht über Gleitsteine 8 mit den Kolben 4 in Wirkeingriff und wird von der Antriebswelle 6 drehangetrieben. Der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe 7 kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch eine Druckänderung in einer Triebwerks-kammer 8', in welcher im wesentlichen die Schwenkscheibe angeordnet ist, beeinflußt werden. Die Triebwerkskammer 8' kann mit Drücken zwischen einem Saugdruck, also einem an einer Einlaßseite des Verdichters vorherrschenden Druck, und einem Hochdruck, d.h. einem an einer Auslaßseite des Verdichters vorherrschenden Druck, beaufschlagt werden. Je nach dem in der Triebwerkskammer 8' vorherrschenden Druck bzw. je nach der Differenz der Drücke an der Saugseite und in der Triebwerks kammer ergibt sich ein vorbestimmter Auslenkwinkel für die Schwenkscheibe und somit ein vorbestimmter Druck an der Auslaßseite des Verdichters.

Eine zweite, den Auslenkwinkel der Schwenkscheibe 7 beeinflussende Größe ist die Momentenverteilung zwischen den translatorisch beweglichen Bauteilen des Zylinders, wie beispielsweise den Kolben 4 oder den Gleitsteinen 8, und den rotatorisch bewegbaren Bauteilen des Verdichters, wie beispielsweise der Schwenkscheibe 7. Hier kann durch eine entsprechende Masse bzw. Momentenverteilung erreicht werden, daß der Verdichter bei hohen Drehzahlen eine eher abregelnde Tendenz aufweist. Dies ist gerade bei modernen Verdichtern gewünscht, um ohne eine große Anzahl von Regeleingriffen ein Vereisen insbesondere bei hohen Drehzahlen vermeiden zu können. Auf die genaue konstruktive Ausgestaltung bezüglich der Momente sei nach einer kurzen Erläuterung der weiteren wichtigen Merkmale des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß der ersten bevorzugten Aus führungs form genauer eingegangen.

Wie Fig. 1 weiterhin entnehmbar ist, ist im Zylinderkopf 3 ein Sauggaskanal 9 angeord-net, welcher einen Sauggaseinlaß 10 mit einer Sauggaskammer 11 verbindet, welche den Zylindern vorgeschaltet angeordnet ist. Das komprimierte Fluid bzw. Kältemittel wird über eine Druckgas- bzw. Auslaßkammer 12 dem Kältemittelkreislauf zur Verfügung gestellt. Im Sauggaskanal 9 ist zur Regulierung des sauggasseitigen Kältemittelmassenstroms und damit auch des Druckes an der Saugseite des Verdichters eine Regeleinrichtung an-gebracht. Diese umfaßt einen Stellkolben 13, welcher, alternativ zur dargestellten Ausführungsform auch als Stufenkolben ausgebildet sein kann, ein elastisches Element in Form einer Feder 14 sowie eine Stellschraube 15, die dazu dient, die Vorspannung der Feder 14 einzustellen. Der Stellkolben 13 ist auf seiner der Auslaß- bzw. Druckgaskammer 12 zugeneigten Seite mit dem Auslaß- bzw. Hochdruck beaufschlagt, während er auf der der Stellschraube 15 zugeneigten Seite, d.h. also auf der dem Sauggaseinlaß 10 zugeneigten Seite, mit dem Saug- bzw. Einlaßdruck beaufschlagt ist. Je höher der. Auslaßdruck des Verdichters ist, um so weiter wird der Kolben 13, welcher das Stellglied der Regeleinheit darstellt, in den Sauggaskanal 9 hineingedrückt und verengt dadurch dessen Querschnitt. Daraus resultiert ein geringerer Kältemittelmassenstrom zu der Sauggaskammer 11 hin, was zu einem niedrigeren Druck in der Sauggaskammer 11 und somit zu einem abregelnden Verhalten des Verdichters führt.

Aus der Zeichnung nicht deutlich ersichtlich ist, daß dem Stellkolben 13 ein Anschlag für eine Stellung minimalen Strömungsquerschnitts zugeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, daß auch bei sehr hohen Drehzahlen des Verdichters und einem relativ hohen Ausgangsdruck ein vorbestimmter minimaler Kältemittelstrom bzw. Saugdruck gewährleistet ist. Die Regeleinheit mit dem Stellkolben 13, der Feder 14 und der Stellschraube 15 ist also selbstregulierend, wobei die Regelung abhängig von den Drücken an der Auslaß- und der Einlaß- bzw. Sauggasseite erfolgt. Somit kann an dieser Stelle festgehalten werden, daß der Auslenkwinkel der Schwenkscheibe 7 durch die Interaktion des Drucks im Triebwerksraum 8' einerseits und des Kältemittelmassenstroms auf der Sauggasseite bzw. des Saugdrucks andererseits bestimmt ist, wobei der Saugdruck selbst wiederum abhängig vom Ausgangsdruck des Verdichters ist, so daß eine rückgekoppelte Regelung für den Verdichter entsteht.

Alternativ zu der in der Fig. 1 dargestellten selbsttätigen Regelung kann die Regeleinrichtung, die in der schematischen Darstellung der Fig. 2 allgemein als Drosselstelle 17 bezeichnet ist, selbstverständlich auch durch externe Regelgrößen sowie auch durch externe Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Magnetspule, geregelt werden. In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Drosselstelle 17 bzw. die Drossel (Stellglied) durch ein externes Signal 16 geregelt wird. Dieses Signal kann z.B. auf Basis einer Messung des Massenstroms, des Drucks auf der Hochdruckseite oder eines Differenzdrucks zwischen Sauggaskanal und Hochdruckseite bzw. eines Differenzdrucks im Sauggaskanal, der sich durch die verschiedenen Drücke PV1 und PV1* auf den beiden Seiten der Drosselstelle 17 ergibt, generiert werden. Selbstverständlich sind auch andere Parameter, wie beispielsweise eine Drehzahl, oder aber auch Temperaturen oder dgl. Größen als Basis des Signals 16 denkbar.

In Fig. 2 ist ferner eine schematische Darstellung des Kältekreislaufs in einem h vs.. log p-Diagramm (überkritischer Prozeß, mit CO2 als Kältemittel) in einer Darstellung an der Drosselstelle (δPV) gezeigt.

Wie bereits bei der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, hat auch die Momentenverteilung zwischen den translatorisch bewegten Massen des Verdichters, wie beispielsweise den Kolben 4, und den rotatorisch bewegten Massen, die beispielsweise die Schwenkscheibe 7 beinhalten, eine regelnde Wirkung auf den Verdichter. In der Folge sei etwas näher auf dieses Momentenverhältnis eingegangen. Zur Veranschaulichung sei eine vereinfachte, als beispielhaft anzusehende Herleitung für die verschiedenen Momente betrachtet. Bei komplexen Geometrien insbesondere der Schwenkscheibe (wenn die anschauliche
Betrachtung keine zufriedenstellenden Werte mehr liefert) können die Massenträgheitsmomente und Deviationsmomente sowie andere, von Geometrie und Dichte der Materialien beeinflußte Größen, auf einfache Weise mittels CAD berechnet werden.

In der vereinfachten, jedoch anschaulichen Herleitung der Massenträgheitsmomente wird davon ausgegangen, daß der Schwerpunkt der Schwenkscheibe im Kippgelenk auf der Wellenmittelachse liegt, also kein Steineranteil oder ähnliches berücksichtigt werden muß. Für die Herleitung des Deviationsmomentes gelten im allgemeinen die folgenden mathe-matischen Zusammenhänge, wobei das maßgebliche Koordinatensystem in Fig. 3 dargestellt ist:

Jyz = -J1COSa2 cosa3 -J2 cosß2 cosß3— J3cosγ2cosγ3
( CXX11 = 0
ßßjl == 9 900°° Richtungswinkel der x-Achse
Yl = 90° gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, T|, -ζ

Ct2 = 90° ß2 = Ψ Richtungswinkel der y-Achse
γ2 = 90° + ψ gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, T|, -ζ

= 90°
ß3 = 90° -Ψ Richtungswinkel der z-Achse
Y3 = ψ gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ, T|, -ζ

Das hierbei verwendete Koordinatensystem geht, wie vorstehend erwähnt, aus Fig. 3 her-vor. Weiterhin gilt für einen „Ring":

J2 = Jη = — Oa2 + *i2 + —) sowie

(Anmerkung: J3 « 2 J2)
Für das Deviationsmoment, welches für die Schwenkbewegung maßgebend ist, gilt :

Jy2 = -Ja cosψ sinψ + J3 cosψ sinψ

Unabhängig von der Fig. 3 gilt für das Moment infolge Massenkräfte der Kolben:



Z; = Rω2 tanα cosß;

M(Fmi) = mk R cosß; 2;
u
Mkjges = mk R ^Z j cosß;
1=1

sowie für das Moment Msw infolge des Deviationsmoments:

Msw = J.x ω τ . msw msw h2
Jy2 = { — (ϊa2 + ϊi2) " — (^a2 + tf + y )} COS(X SinCC

J72 = ^- sin2α (3ra2 + 3r;2 - h2)

Im Zusammenhang mit der Erfindung soll für einen beliebigen Kippwinkel oder Kippwinkelbereich folgendes Momentenverhältnis konstruktiv verwirklicht werden:

Msw > Mk ges bzw. bevorzugt der Unterfall Msw = Mk ges

Damit gilt auch:

msw
2 R2 mk tanα J] cos2ß ≤ ω2 — - sin2α (3ra2 + 3r;2-h2)]

Wie bereits erläutert, läßt sich das (Kipp-)Moment der Schwenkscheibe infolge des zugehörigen Deviationsmoments durch verschiedene Parameter (Geometrie, Dichteverteilung, Masse, Massenschwerpunkt) bewußt so einstellen, daß

Msw > Mk ges oder aber der Unterfall Msw = Mk>ges gilt.

Im Zusammenhang mit den angegebenen Gleichungen bedeutet:

θ Drehwinkel der Welle (wobei die vor- und nachstehenden Betrachtungen der
Einfachheit halber für θ=0 angestellt werden)
η Anzahl der Kolben
R Abstand der Kolbenachse zur Wellenachse
ω Wellendrehzahl
α Kippwinkel des Schwenkringes/Schwenkscheibe
mk Masse eines Kolbens inklusive Gleitsteine bzw. Gleitsteinpaar mk,ges Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine
msw Masse des Schwenkringes
ra Außenradius des Schwenkringes
r, Innenradius des Schwenkringes
h Höhe des Schwenkringes
g Dichte des Schwenkringes
V Volumen des Schwenkringes
ß, Winkelposition des Kolbens i
Z1 Beschleunigung des Kolbens i
Fm, Massenkraft des Kolbens i (inklusive Gleitsteine)
M(Fmi) Moment infolge der Massenkraft des Kolbens i
Mk ges Moment infolge der Massenkraft aller Kolben
Msw Moment infolge des Aufstellmomentes des Schwenkringes/Schwenkscheibe
infolge des Deviationsmoments (Jyz)

Fig. 4 zeigt das der Herleitung beispielhaft zugrunde gelegte Triebwerk der Schwenkscheibenbauart. Bei der Herleitung wird vereinfacht das Kippmoment Msw infolge des Deviationsmomentes Jy2 der Schwenkscheibe zu den translatorisch bewegten Massen, bzw. dem dadurch erzeugten Moment Mκ>ges ins Verhältnis gesetzt. Vereinfachend werden Kräfte und Momente der Stifte bzw. der Gaskraftstütze oder ähnliches in dem Berechnungsschema nicht erfaßt. Diesen kommt eine untergeordnete Bedeutung bei.

Aus den mathematischen Zusammenhängen ist zu erkennen, daß sich aus der Gleichung der Drehzahleinfluß herauskürzen läßt. Ansonsten sind noch geometrische Größen ent-halten die in bestimmten Zusammenhängen zueinander stehen und grundsätzlich inklusive der Bauteildichten und Dichteverteilungen, so gewählt werden können, daß die Summe der Momente infolge Massenkräfte gleich Null eingestellt werden kann.

Aus den Figuren 5, 6 und 7 geht jeweils ein Berechnungsschema gemäß der verwendeten Gleichungen hervor. Weiterhin wird als Berechnungsergebnis das Momentengleichgewicht dargestellt. Dazu wird außerdem (qualitativ) eine Kippcharakteristik dargestellt, wie sie sich unter Berücksichtigung der Gaskräfte ergeben würde.

Die Kipp Charakteristiken der Figuren 5, 6 und 7 ergeben sich dann, wenn neben der Variation von Drehzahl und dem Treibwerksraumdruck neben den erläuterten Kräften und Momenten ein bestimmter Saugdruck und ein bestimmter Hochdruck systembedingt aufgeprägt werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß in etwa der vor dem Verdichter anliegende Ansaugdruck und der nach dem Verdichter anliegende Hochdruck dem Saugdruck und dem Hochdruck im Verdichter entsprechen, d.h. keine Drosselung im
Verdichter vorliegt.

In Bezug auf die nach den angegebenen Gleichungen berechneten Momentengleich-gewichte ergibt sich gemäß

• Fig. 5 ein Triebwerk mit aufregelndem Verhalten ,
• Fig. 6 ein Triebwerk mit abregelndem Verhalten, sowie gemäß
• Fig. 7 ein Triebwerk mit neutralem Verhalten.

Anhand Fig. 7 sowie der Gleichung der Momentensumme kann man einen Einfluß des Kippwinkels leicht nachvollziehen. Der Effekt ergibt sich aus den Verläufen der Terme tan(α) und sin(2α). D.h. die Momentenbilanz kann in der Auslegung für genau einen Kippwinkel ausgeglichen werden; geschieht das z.B. für den maximalen Kippwinkel der Schwenkscheibe, so gibt es kleinere Abweichungen in der Momentenbilanz für andere Kippwinkel. Diese Abweichungen kann man aber relativ klein halten.

Für folgende Kippwinkel ist die Einstellung des Momentengleichgewichts denkbar:

für α • „<=α<=α_: MK;ges=M,
für α= (αmaxmin) /2: Mκ>ge,=M„_
für αmaxmax: MK)geS-MSλv
für α>=αmax: MK1881=M,,

Die beiden zuletzt genannten Fälle sind zu bevorzugen.

Der Vorteil eines in der Momentenbilanz weitgehend ausgeglichenen Triebwerks liegt unter anderem darin, daß sich bei Drehzahlerhöhung nicht auch noch der Kolbenhub erhöht, d.h. in einem solchen (unerwünschten) Fall wären zwei Effekte vorhanden, die kompensiert werden müßten. Es lässt sich also festhalten, daß der Fall zu bevorzugen ist, in dem Mk ges in etwa gleich Msw ist, was zu einem drehzahlneutralen Regelverhalten des Verdichters führt. Falls gewünscht kann auch Msw größer als Mk ges gewählt werden, was bei hohen Drehzahlen zu einem abregelnden Verhalten des Verdichters führt; keinesfalls jedoch wünschenswert ist der Fall, in dem gilt, daß Mk ges größer ist als MSλV (Aufregeln des Verdichters mit zunehmender Drehzahl).

Wie vorstehend erwähnt ist es zu bevorzugen, daß Mk ges in etwa MSΛT entspricht. Wie Fig. 7 zu entnehmen ist, ist in einer Auftragung des Triebwerksraumdrucks über dem

Kippwinkel für alle Drehzahlen n bei einer ungefähren Momentengleichheit der Kurvenverlauf sehr ähnlich. Dies spiegelt sich auch in einer Auftragung des Moments gegen den Kippwinkel wieder, aus der entnommen werden kann, daß für alle Kippwinkel die
Momentenbilanz nahezu konstant ist. Die Einzelmomente jedoch variieren durchaus für verschiedene Kippwinkel, wobei Mk ges im gesamten dargestellten Bereich für zunehmende Kippwinkel ansteigend ist, während Msw für zunehmenden Kippwinkel abnehmend ist, so daß sich die dargestellte Momentenbilanz Mk + Msw, welche in etwa konstant ist, ergibt. Ein durch einen derartigen Momentenverlauf gekennzeichneter Verdichter ist somit in seiner Regelcharakteristik nahezu drehzahlunabhängig.

Ist der Effekt aufgrund der Momentenbilanz abregelnd wirksam, so stimmt zumindest die Tendenz. Allerdings ist der Einfluß auf die wirksamen Momente Msw und Mκ durch die Drehzahl quadratisch gegenüber dem linearen Einfluß der Drehzahl auf das Hubvolumen und somit nur bedingt geeignet, den geförderten Massenstrom konstant zu halten.

Neben dem sich gegenüber den Drehzahlveränderungen neutral verhaltenden Triebwerk, wird der Kippwinkel der Schwenkscheibe im wesentlichen nur durch Variation der Drücke PV1 (Saugdruck), PV2 (Hoch- bzw. Auslaßdruck), sowie des Triebwerksraumdruckes pc verändert. In einem konstanten Betriebspunkt bei vorgegebenem PV1 und PV2 geschieht die Änderung normalerweise im wesentlichen nur durch den Triebwerksraumdruck pc.

Bei Auslegung eines Triebwerkes nach den beschriebenen Kriterien ist bei Drehzahländerung ein proportionales Verhalten in Bezug auf den geförderten Kältemittelmassenstrom vorhanden. D.h. verdoppelt sich die Verdichterdrehzahl bei gleichbleibenden Schwenk-scheibenkippwinkel, was bei einem sich neutral verhaltenden Triebwerk gegeben ist, so wird auch in etwa die doppelte Kältemittelmenge gefördert. Eine Förderung genau der doppelten Kältemittelmenge ergibt sich, wenn man weitere Verluste, welche durch die geänderten Strömungsverhältnisse etc. entstehen vernachlässigt. Unter Berücksichtigung der geänderten Strömungsverhältnisse können sich Abweichungen ergeben.

Um bei einer z.B. deutlichen Steigerung der Drehzahl den geförderten Kältemittelmassenstrom konstant zu halten bzw. zu limitieren, ist, wie bereits bei der Beschreibung der Figuren 1 und 2 erläutert, im Bereich der Kältemittelansaugung eine Drosselstelle vorgesehen, die variabel ist und schnell eingreift.

Es ist möglich, den Verdichter derart auszulegen, daß die Drosselung direkt in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl eingreift (wie z.B. in der zweiten bevorzugten Ausführungsform, vgl. Fig. 2). In der ersten bevorzugten Aus führungs form hingegen (vgl. Fig. 1) ist der Querschnitt der Drosselstelle eine Funktion des Verdichterhochdruckes PV2, d.h. die Drosselung wird hochdruckabhängig gesteuert.

Erhöht sich die Verdichterdrehzahl (z.B. schlagartig), so steigt der Druck PV2 in etwa ebenso schnell an. Da hochdruckseitig keine wesentliche Drosselung stattfindet, kann man sowohl PV2 für den systemseitigen Hochdruck als auch für das Druckniveau hochdruckseitig im Zylinderkopf annehmen. Druckverluste der Rohrleitungen spielen nur eine untergeordnete Rolle, so daß sie in dieser Betrachtung vernachlässigt werden können.

Weiterhin sinkt bei der angesprochenen Erhöhung der Verdichterdrehzahl der Saugdruck ab, wobei der Druck PV1, der vor der Drosselstelle herrscht, in etwa sein Niveau hält (systems ei tige s Druckniveau auf der Saugseite), während der Druck PVi* nach der
Drosselstelle gegenüber PV1 absinkt. Der Druck PV2 wirkt nun als wesentliche Stellgröße (neben dem Saugdruck) so auf den Drosselungsmechanismus ein, daß der Querschnitt der Drosselstelle verkleinert wird.

Das Absenken des Druckes PV1 auf den Druck PVi* hinter der Drosselstelle hat die Folge, daß an den Zylindern (an den Saugventilen) eine verringerte Saugdichte (verringerter Druck) anliegt; dadurch nimmt der Druck im Zylinder bzw. an den Endflächen der Kolben (die in Richtung der Ventilplatte gerichtet sind) ab, so daß sich der Kippwinkel tendenziell verkleinert. Weiterhin führt das dazu, daß sich der Druck PV2 wieder verkleinert, was wiederum eine Rückkopplung auf die Drossel zur Folge hat.

Da im wesentlichen der Ansaugzustand des Verdichters, der durch die Größen tvi und PV1 beschrieben werden kann (vgl. Fig. 14), nicht geändert wird, wird das angegeben Expansions ventil seine Einstellung nicht verändern und die Druckniveaus PV1 und PV2 bleiben ebenfalls erhalten. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Regelstrecke auch anders beschaffen sein kann, so daß anstelle von PV1 der Druck PV2 zur Zustandsbe-schreibung des Verdichters herangezogen werden kann.

Zusammengefaßt bleiben die thermodynamischen Größen vor dem Verdichter und hinter dem Verdichter (in Kreislaufrichtung) gleich und das Regelungsorgan im System greift nicht ein.

Neben einem thermostatischen Expansionsorgan sind natürlich auch anders arbeitende und anders angesteuerte Expansionsorgane denkbar.

Durch die Erhöhung der Verdichterdrehzahl reguliert sich der Verdichter selbsttätig, indem neben dem Triebwerksraumdruck Pc der Ansaugdruck PV1 oder der Hochdruck PV2 regulierend wirksam wird. Da PV1 bzw. PV2 auch vom Betriebszustand des Systems aufge-pϊägt werden, wo in der Regel bei Änderung der Verdichterdrehzahl nicht zwangsläufig ebenfalls Änderungen erwünscht sind, wird ein Druck PV1* herbeigeführt, der als Gaskraft an den Kolben in das Kräfte- bzw. Momentengleichgewicht der Schwenkscheibe eingreifen kann.

D.h. in einem Betriebzustand mit sich plötzlich erhöhender Drehzahl wird, um den Hochdruck PV2 und den Massenstrom auf einem gleichen Niveau zu halten, der Saugdruck hinter der Drosselstelle abgesenkt, so daß das Druckniveau PV]* entsteht. An den Kolben wirken auf der einen Seite die Drücke PV1» und PV2, sowie an der anderen Seite (trieb werksseitig) der Druck Pc (vgl. Fig. 8). Wird PV1 auf das Niveau PV1* abgesenkt, so wird der Kippwinkel der Schwenkscheibe verkleinert, und zwar ohne daß der Kurbelraumdruck geändert werden müßte. D.h. gegenüber dem Stand der Technik, bei der der Triebwerksraumdruck Pc als Stellgröße eingesetzt wird, wird erfindungsgemäß eine wei-tere Stellgröße PV1* eingeführt.

Der Druck PV1* kann deutlich kleiner als PY1 sein (durchaus um 5 bis 15 bar). Da je nach Betriebspunkt eine solche Drosselung mit deutlichen Verlusten behaftet sein kann, ist die Drosselstelle bzw. Regeleinrichtung in einem weiten Bereich variabel.
Die Drosselstelle, die je nach Stellung den Sauggasleitungsquerschnitt mehr oder weniger verengt, hat in einer bevorzugten Aus führungs form drei verschiedene Arbeitsbereiche:

In der ersten Stellung wird keine Drosselung herbeigeführt (Betriebs Stellung 1)

- In der zweiten Stellung wirken saugseitig an dem Kolben ein Druck, der zwischen den Drücken PV1 und PVi* liegt, und hochdruckseitig der Druck PV2. Weiterhin wirkt als Führungsgröße z.B. die Kraft einer Druckfeder. In der zweiten Stellung wird je nach anliegenden Gaskräften stark oder weniger stark gedrosselt (Betriebsstellung 2) .

In einer dritten Stellung kann der Stellkolben bei vorliegendem minimalem
Strömungsquerschnitt in der Saugleitung in einen Anschlag fallen. Ein minimaler Strömungsquerschnitt wird dabei aufrechterhalten (Betriebsstellung 3).

Es versteht sich, daß das hier vorgeschlagene Prinzip nur als beispielhaft anzusehen ist. Es kann z.B. auch ein gestufter Kolben zum Einsatz kommen, wo für die Drücke PV1 und PV2 jeweils ein unterschiedlicher Durchmesser zur Beaufschlagung zur Verfügung steht. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß das Stellglied bzw. der Kolben möglichst leckagefrei arbeiten soll, was durch Kolbenringe sichergestellt ist. Auch andere Abdichtmaßnah-men sind denkbar.

Fig. 9a zeigt für ein vorgegebenes Druckniveau PV1 und PV2 des Klimasystems die einstellbaren Massenströme (qualitative Darstellung), während Fig. 9b das dazu korrespon- dierende p-V-Diagramm zeigt. Ausgehend vom Ursprung, wächst mit der Drehzahl der erreichbare Massenstrom. Die Hüllkurve der entsprechenden Steigung zeigt den geförderten Massenstrom für maximalen Schwenkscheibenkippwinkel/maximales geometrisches Hubvolumen. Der Kältemittelmassenstrom m, bei der Drehzahl nt verdoppelt sich z.B. auf einen Kältemittelmassenstrom m2 bei einer entsprechenden Drehzahlvergrößerung von n2 = 2 X n1Je größer der gewünschte Kältemittelmassenstrom ist, desto größer muß auch die Verdichterdrehzahl sein, um bei maximalem Verdichterhub diesen zu erreichen. Ist der gewünschte Kältemittelmassenstrom erreicht, z.B. ml5 m2 oder m3, so ist bei weiterer Drehzahlerhöhung keine Erhöhung des Kältemittelmassenstroms erwünscht. Die im Diagramm dargestellten waagerechten Verläufe für ml5 m2 und m3 korrespondieren jeweils mit einem bestimmten Triebwerksraumdruck, der in etwa konstant ist. Im Bereich der waagerechten Linien kommt mit zunehmender Drehzahl der Effekt der sauggasseiti-gen Drosselstelle zum Tragen. Während auf der Hüllkurve die sauggasseitige Drossel in der Betrieb s Stellung 1 ist (keine Drosselung), so wird in dem Betriebsbereich 2 der Dros-s elquer schnitt mit zunehmender Drehzahl verkleinert.

Demzufolge kann bei entsprechender Auslegung der Drosselstelle für verschiedene Kältemittelmassenströme, die aufgrund eines bestimmten Betriebszustandes eingestellt sind, der Massenstrom konstant gehalten werden.

Liegt z.B. der Betriebszustand für die Drücke auf der Hochdruckseite und auf der Saugseite des Systems sowie für den Ansaugzustand am Verdichtereintritt mit PV1, tvi sowie PV2 fest und liegt in dem Betriebszustand die Drehzahl n2 bei einem Kältemittelmassenstrom in, vor, so befindet sich die Drosselstelle im Betriebszustand 2, d.h. der Ansaug-querschnitt der Saugleitung ist im Bereich der Drosselstelle gegenüber dem Ausgangszustand (Betriebszustand 1) verkleinert. Weiterhin hat sich neben dem Druckniveau am Verdichtereintritt PV1 ein Saugdruck PVi* eingestellt, der infolge der Drosselung kleiner als der Druck PV1 ist. Bei weiterer Verringerung des Druckes PV1* werden die Gaskräfte die auf den Kolben einwirken geringer, so daß bei etwa gleichen Triebwerksraumdruck der Kippwinkel der Schwenkscheibe verkleinert wird (entgegen dem Stand der Technik, vgl. hierzu Fig. 9c). Eine Verkleinerung des S chwenkscheibenkipp winkeis wiederum führt zu einem geringeren Massenstrom. Es wird in diesem Fall also im wesentlichen nicht die Fördermenge dadurch limitiert oder konstant gehalten, daß ein Druckverlust erzeugt wird ödet der Liefergrad bzw. der Grad der Befüllung schlechter wird; hauptsächlich greift die Druckabsenkung in das Gleichgewicht der Hub Verstellung direkt ein und regelt den Hub bei steigender Drehzahl ab. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß PVi* nicht zu stark absinken sollte, da es ansonsten zu zu großen Verlusten kommt.

Das Regelverhalten ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß, entgegen dem Stand der Technik, wo bei konstantem Betriebszustand des Systems beschrieben durch PV1, tvi, Py2 jedem Triebwerksraumdruck Pc genau ein Schwenkscheibenkippwinkel zugeordnet ist (vgl. Fig. 5, wobei Ausnahmen im Bereich sehr hoher Drehzahlen oder sehr kleiner Kippwinkel (Maxima) auftreten), für einen Triebwerksraumdruck Pc mehrere Schwenkscheibenkippwinkel denkbar sind. Gegenüber dem Stand der Technik ist nicht nur Pc eine Stellgröße, sondern auch der Druck PV1*.

Die Druckdifferenz PV1* -Pc kann negative Werte erreichen. Beim Stand der Technik muß PC-PV1 zugrunde gelegt werden. Der Druck Pc ist hier immer größer als der Druck PV1. Dadurch wird erfindungsgemäß auch der Regelbereich größer (Δp).

Abschließend sei nochmals erwähnt, daß neben der auf den Stellkolben wirkenden Stellgröße Kältemittelmassenstrom m bzw. PV2 auch eine externe Betätigung eines Stellkol-bens oder einer Drosseleinrichtung erfolgen kann (durch eine Magnetspule oder dgl.; vgl. Fig. 2). Einer solchen Vorrichtung muß als Signal die Massenstromerhöhung „mitgeteilt" werden, so z.B. durch Detektieren einer saugseitigen oder hochdruckseitigen Druckdifferenz (Drosselstelle/Meßblende (variabel oder nicht variabel)) auf der Saugseite oder Hochdruckseite des Verdichters).

In den Figuren 10 bis 13 sind Weiterführungen der qualitativen Darstellungen der Fig. 6 und der Fig. 7 wiedergegeben, wobei in den Figuren 10 und 11 ein drehzahlunabhängiges Triebwerk dargestellt ist, und in Fig. 12 und 13 ein Triebwerk dargestellt ist, das analog zu Fig. 7 ein Abregein bei ansteigender Drehzahl favorisiert. Es wird gezeigt, daß bei unveränderter Momentenbilanz (Verhältnis Msw und Mκ>ges aus Fig. 6 und 7) eine massen-strom-, druck- oder drehzahlabhängige Drosselung auf der Saugseite (Ausbildung von PV1* gegenüber PV1) eine weitere Separation der Kennlinien bewirkt.

In Fig. 14 letztendlich ist eine schema tische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters dargestellt. Bei der dritten bevorzugten Aus führungs form handelt es sich um einen Verdichter, welcher keine Regeleinrichtung, sondern eine Steuereinrichtung für den Saugdruck aufweist. Dies führt dazu, daß der beschriebene Verdichter konstruktiv sehr einfach und damit auch kostengünstig in der Herstellung ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Steuereinrichtung der dritten bevorzugten Ausführungsform zusammen mit einer Regeleinrichtung für den Saugdruck in einem Verdichter realisiert sein kann. Alternativ jedoch ist auch eine Konstruktion denkbar, die nur eine Steuereinrichtung aufweist. Die dritte bevorzugte Ausfüh-rungsform umfaßt, wie auch die anderen bevorzugten Ausführungsformen, mehrere Kolben 4, welche im Zylinderblock 2 hin- und herbewegbar gelagert sind.

Anstelle einer regelbaren Drosseleinrichtung weist die dritte bevorzugte Ausführungsform an der Einlaßseite für das Sauggas in den Zylinderraum eine Ventilplatte 18 mit einer darunter angebrachten Sauglamelle 21 auf. Die Sauglamelle 21 ist zungenförmig ausgebildet und dient der Steuerung des Sauggaseinlasses. Wird das Gas im Zylinder komprimiert, so verschließt die Sauglamelle 21 eine Durchgangsdrosselbohrung 19, während sich die Sauglamelle 21 beim Ansaugen des Sauggases (bedingt durch den im Zylinder vorherrschenden Unterdruck) um einen Hub t (verdeutlicht durch Pfeile 20) nach unten bewegt und dem einzusaugenden Kältemittel bzw. dem Sauggas durch die Durchgangsdrosselbohrung 19 Einlaß in den Zylinder gewährt.

Die Durchgangsdrosselbohrung 19 weist einen Durchmesser d auf. Aufgrund der Geometrie des Einlaßventils, d.h. insbesondere aufgrund des Durchmessers d der Durch-gangsdrosselbohrung 19 und der Verdichtergeometrie kommt es über weite Arbeitsbereiche des erfindungsgemäßen Verdichters zu einem gewünschten Absenken des Drucks PV1*. Dies kann beispielsweise (im Falle eines Verdichters mit Kältemittel CO2) mit folgenden Parametern für die Verdichtergeometrie erreicht werden: Der Hub t der Sauglamelle 21 beträgt zwischen 0,9 und 1,2 mm, während die Ventilplatte 18 eine Bohrung (Durchgangsdrosselbohrung) aufweist, deren Durchmesser d zwischen 4,5 und 6 mm liegt. Die Werte für den Kolbendurchmesser liegen bei ca. 15 bis 18 mm und der Kolbenhub beträgt in etwa 17 bis 22 mm. Das maximale Hubvolumen pro Zylinder beträgt 3 ccm bis 6 ccm. Demnach ergeben sich als energetisch günstige, die Geometrie des Verdichters beschreibende Größen ein Verhältnis von Kolbendurchmesser und Kolbenhub von etwa 0,65 bis 1,1, ein Verhältnis von Kolbendurchmesser und Durchgangsdrosselbohrung in der Ventilplatte von etwa 2,5 bis 4, ein Verhältnis von Durchgangsdrosselbohrung in der Ventilplatte und Hub der Sauglamelle von etwa 3,7 bis 6,7 und ein Ver- hältnis von Kolbenhub zum Hub der Sauglamelle von etwa 14 bis 24. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß diese Werte die optimale Geometrie für einen Betrieb mit CO2 als Kältemittel wiederspiegeln, daß jedoch je nach konstruktiven Bedürfnissen auch Werte von 0,4 bis 1,5 für das Verhältnis von Kolbendurchmesser und Kolbenhub sowie Werte von 1,5 bis 5 für das Verhältnis von Kolbendurchmesser und Durchgangs drosselbohrung sowie Werte von 2,5 bis 8 für das Verhältnis von Durchgangsdrosselbohrung und Hub der Sauglamelle sowie Werte von etwa 10 bis 30 für das Verhältnis von Kolbenhub zum Hub der Sauglamelle energetisch günstig sind. In dieser bevorzugten Aus führungs form wird also die Durchgangsdrosselbohrung 19 auf der Saugseite als Drosselstelle bzw. als Steuereinrichtung genutzt und gezielt im Zusammenhang mit den anderen den Verdichter regelnden Parametern ausgelegt. Insbesondere ist eine derartige Konstruktion in Verdichtern sehr effektiv, welche bereits momentenoptimiert sind, d.h. also welche ein optimales Verhältnis zwischen den Momenten aufgrund der rotatorischen Massen und aufgrund der translatorisch bewegten Massen haben. Das einströmende Gas durchströmt eine Saugkammer, welche im Zylinderkopf 2 angebracht ist, mit dem Druck PV1 und wird dann über das Einlaßventil, das beispielsweise die vorstehend beschriebene Konfiguration aufweist, in die Zylinderbohrung eingeleitet, wo sich aufgrund der Saugventil-Konfiguration der Druck PVJ* einstellt, der ein optimales Regelverhalten des Verdichters gewährleistet.

Zusammenfassend sei festgehalten, daß die Drosselung des Saugdrucks bzw. des Kältemittelstroms einen Abregeleffekt erzeugt, der sich in erster Linie nicht aus einer
Absenkung der Saugdichte, sondern aus der direkten Nutzung der anfallenden Druckdifferenz an der Drossel zur Hubvolumenverstellung ergibt. Durch Verstellen der Drossel ergibt sich eine Verstellung der an der Drossel anfallenden Druckdifferenz und damit eine Verstellung des Hubvolumens. Ferner führt eine Veränderung des Volumenstroms zu einer Änderung der anfallenden Druckdifferenz und damit zu einem Nachregeln des Hubvolumens.

Ferner läßt festhalten, daß die Vorteile der Erfindung u.a. darin liegen, daß der Schwenk-s cheib enver dichter
• auf Drehzahlschwankungen durch den Riementrieb wenig sensitiv bzw. kaum
reagiert (Triebwerk)
• die Verluste durch die Regeleingriffe zwischen den Drucklagen Saugdruck,
Hochdruck, Triebwerksraumdruck vermindert werden
• die Regelgeschwindigkeit verbessert ist • den Kärtemittelmassenstrom in "weitem Drehzahlbereich konstant gehalten werden kann, bzw.
• der Kältemittelmassenstrom bei hohen Drehzahlen limitiert werden kann.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit fester Merkmalskombination beschrieben wird, umfaßt sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen dieser Merkmale, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombina-tion gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

1 Gehäuse
2 Zylinderblock
3 Zylinderkopf
4 Kolben
5 Riemenscheibe
6 Antriebswelle
7 Schwenkscheibe
8 Gleitstein
8' Triebwerksraum
9 Sauggaskanal
10 Sauggaseinlaß
11 Sauggaskammer
12 Auslaß- bzw. Druckgaskamrαer
13 Stellkolben
14 Feder
15 Stellschraube
16 externes Signal
17 Regeleinrichtung
18 Ventilplatte
19 Bohrung
20 Pfeil
21 Sauglamelle
101 Verdichter 102 Gaskühler /Verflüssiget

103 Expansionsorgan

104 Verdampfer
105 Regelstrecke