Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdichter, der wenigstens einen Zylinder mit einem beweglichen Kolben umfaßt. Derartige Klimaanlagen werden bisher mit Kältemit- tel wie R12 oder R134a betrieben. Zum Betrieb einer solchen Anlage muß der Verdichter eine Druckdiffe- renz zwischen Saugdruck und Gegendruck von ca. 10 bis 20 bar aufbringen. Dies ist mit Verdichterkol- ben möglich, die keinen oder höchstens einen Kol- benring aufweisen.

Halogenorganische Kältemittel sind in letzter Zeit in die öffentliche Kritik geraten, da sie bei ihrer Freisetzung in die Atmosphäre ozonabbauend wirken können und den Treibhauseffekt fordern. Es sind da- her erhebliche Bemühungen unternommen worden, Kli- maanlagen zu entwickeln, die mit nichtozongefähr- denden beziehungsweise Treibhauseffekt-neutralen Kaltemitteln arbeiten. Dabei stößt man auf das Pro- blem, daß potentiell als Kältemittel geeignete Sub- stanzen, die diese Anforderungen erfüllen, erheb- lich höhere Druckdifferenzen erfordern. Diese sind

mit den herkömmlichen Konstruktionen von Klimaanla- gen-Verdichtern nicht ohne weiteres erzielbar. Ver- sucht man, solche Kältemittel in einem Verdichter mit einem herkömmlich konstruierten Kolben ohne Kolbenring oder mit einem einzelnen Kolbenring ein- zusetzen, so beeinträchtigen Leckageverluste durch am Kolbenmantel durchströmendes Kältemittel den Wirkungsgrad eines solchen Verdichters empfindlich, wenn sie nicht gar seine Funktionsfähigkeit voll- ends in Frage stellen. Es sind daher bei Klimaanla- gen, die mit hoch zu verdichtenden Kältemitteln ar- beiten, Zylinder eingesetzt worden, deren Kolben bis zu vier Kolbenringe tragen. Dies erhöht jedoch den Bauaufwand des Verdichters. Außerdem nimmt die Reibung des Kolbens an den Zylinderinnenwänden er- heblich zu, so daS zum Betreiben des Verdichters zusätzliche Antriebsarbeit erforderlich ist, die zur Kälteerzeugung nicht beiträgt. Vielmehr wird die zwischen Kolben und Zylinder erzeugte Reibungs- wärme weitgehend vom Kältemittel aufgenommen, was absolut unerwünscht ist.

Vorteile der Erfindung Durch die Erfindung wird eine Klimaanalage fur ein Kraftfahrzeug geschaffen, die den Betrieb mit hoch zu verdichtenden Kältemitteln durch eine Begrenzung der Leckageverluste im Verdichter ermöglicht, ohne

daL die zum Betreiben der Klimaanlage aufzubringen- de Reibleistung im Vergleich zu Klimaanlagen für geringere Druckdifferenzen merklich erhöht ist.

Eine solche Klimaanlage eignet sich besonders zum Betrieb mit CO2 als Kältemittel im sogenannten transkritischen Prozeß oder mit anderen Kältemit- teln, die mit hohen Differenzen zwischen Saug-und Gegendruck von über 20 bar und bis zu 100 bar be- trieben werden müssen.

Bei einer ersten erfindungsgemäßen Klimaanlage ist vorgesehen, daß der Kolben mit einer Labyrinthdich- tung an seiner Mantelfläche versehen ist. Eine sol- che Labyrinthdichtung, die vorzugsweise eine Viel- zahl von in Umfangsrichtung umlaufenden Rillen an der Mantelfläche umfaßt, eignet sich gerade bei ho- hen Drücken auch zur Reduzierung von Leckageverlu- sten. Der Grund dafür ist, daß gerade dann, wenn der Druck des im Zylinder enthaltenen Kaltemittels hoch ist, also besonders starke Leckageverluste zu erwarten sind, die Viskosität des Kaltemittels in- folge der starken Verdichtung nicht mehr vernach- lässigbar ist, und infolgedessen die Verwirbelung von zwischen Zylinderinnenwand und Kolbenmantel entweichendem Kältemittel in den Rillen der Laby- rinthdichtung einen wirksamen Strömungswiderstand bildet.

Bei einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemä- sen Klimaanlage, bei der der Kolben in herkömmli- cher Weise wenigstens eine Rille mit einem darin montierten Kolbenring aufweist, ist vorgesehen, daß in der Rille zusätzlich ein Ring aus einem flexi- blen dichtfähigen Material angeordnet ist. Aufgabe dieses Rings ist, den Weg des Kältemittel- Leckstroms, der bei einem Kolben mit Kolbenring we- sentlich durch die Rille entlang der Stirnflächen und der inneren Umfangsfläche des Kolbenrings führt, zu verengen beziehungsweise zu versperren.

Zu diesem Zweck ist der Ring im wesentlichen zwi- schen einer niederdruckseitigen Seitenwand der Ril- le und dem Kolbenring angeordnet, so daß der Kol- benring vom Kältemedium gegen den Ring gedrückt wird und dadurch eine Dichtwirkung an dem Ring er- zielt wird. Der Ring selber springt zweckmaßiger- weise nicht über die Mantelfläche des Kolbens vor, so daß er mit der Innenwand des Zylinders nicht in Kontakt kommt, also keinen Reibverschleiß erleidet und auch die zum Antrieb des Kolbens aufzubringende Reibleistung nicht erhöht Es ist ferner bevorzugt, daß der Kolbenring in der Rille mit axialem Spiel gehalten ist. Dies kann es dem Kaltemittel ermöglichen, von der Hochdruckseite

bis in einen Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Kolbenrings und dem Boden der Rille vorzudrin- gen und so den Kolbenring auf seinem gesamten Um- fang gleichmäßig gegen die Zylinderinnenwand zu pressen. Dabei kann es ausreichend sein, wenn die- ses Spiel nur in einer Hochdruckphase des Arbeits- zyklus des Verdichters durch axiale Kompression des Rings aus flexiblem, dichtfähigem Material erzeugt wird.

Ein Zwischenraum kann auch zwischen dem Boden der Rille und der Innenseite des Rings aus flexiblem, dichtfähigem Material vorgesehen sein, um diesen, genauso wie den Kolbenring, durch in den Zwischen- raum eindringendes Kältemittel radial nach außen zu beaufschlagen und so die entsprechende Dehnbewegung des Kolbenrings zu unterstützen.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie- len.

Figuren Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ver- dichterzylinders für eine Klimaan- lage gemäS einer ersten Ausgestal- tung der Erfindung ; und

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt eines Zylin- ders gemåß einer zweiten Ausgestal- tung der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Darstellung in Figur 1 ist beschränkt auf einen Ausschnitt eines Zylinders für einen Verdichter ei- ner erfindungsgemäßen Klimaanlage. Die weiteren Elemente einer solchen Klimaanlage sind bekannt und brauchen hier nicht detailliert behandelt zu wer- den.

Figur 1 zeigt einen Abschnitt einer Zylinderwand 1 sowie einen Kolben 2, der entlang seiner durch eine Strichpunktlinie 3 bezeichneten Mittelachse in dem Zylinder verschiebbar ist. Der Kolben 2 besitzt ei- ne Mantelfläche, die an der Zylinderwand l eng an- liegt (der Spalt 4 zwischen beiden ist in der Figur der klareren Darstellung wegen unmaßstäblich ver- groert gezeichnet). Auf der Mantelflache des Kol- bens 2 ist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um- laufenden Rillen 5 gebildet, von denen ein Aus- schnitt in dem Kreis an der rechten Seite der Figur vergroßert dargestellt ist. In diesem Kreis ist zu erkennen, da$ die Rillen 5 eine Länge in Richtung der Achse 3 sowie eine radiale Tiefe haben, die der

Breite des Spalts 4 zwischen dem Kolben und der Zy- linderwand 1 in etwa entspricht. Kältemittel, das in einer Hochdruckphase des Zylinders in Richtung des Pfeils 6 aus dem Zylinder entweicht, verwirbelt an jeder einzelnen Rille 5, wie durch Pfeile 7 an- gedeutet, so daß keine gleichmäSige, laminare Leck- strömung im Spalt 4 entstehen kann. So wird eine erhebliche Reduzierung des Leckstroms erreicht, oh- ne daß der Spalt 4 im Vergleich zu herkömmlichen Kolben-Zylinderkonstruktionen verengt werden muS.

Die Reibung zwischen Zylinderwand und Kolben ist daher nicht hocher als bei herkömmlichen Konstruk- tionen.

Zur Unterstützung der Wirkung der Labyrinthdichtung können zusätzlich auch Kolbenringe an dem Kolben vorgesehen werden.

Figur 2 zeigt im Schnitt eine Kolbenringdichtung gemãß der Erfindung. Diese kann für sich allein oder in Kombination mit der oben beschriebenen La- byrinthdichtung eingesetzt werden.

In Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einer Zylinder- wand 1 sowie aus einem entlang dieser Zylinderwand beweglichen Kolben. 2 zu sehen. Eine Rille 8 er- streckt sich in Umfangsrichtung über die Mantelflä- che des Kolbens wie die Rillen in Figur 1, hat aber

eine erheblich größere Länge und Tiefe als diese.

In der Rille 8 sind ein Kolbenring 9 sowie ein Ring 10 aus einem elastischen, dichtfähigen Material un- tergebracht. Die äußere Umfangsfläche des Kolben- rings 9 liegt an der Zylinderwand l an ; zwischen der inneren Umfangsfläche des Rings 9 und dem Boden 12 der Rille 8 befindet sich ein Zwischenraum 13.

Der Zwischenraum 13 ist über einen Spalt 14, der entlang der hochdruckseitigen Stirnfläche des Kol- benrings 9 verläuft, und den Spalt 4 zwischen Zy- linderwand 1 und Mantelfläche des Kolbens 2 mit der Druckkammer des Zylinders (nicht dargestellt) ver- bunden. zwischen der niederdruckseitigen Stirnfläche 16 und der gegenüberliegenden Seitenwand der Rille 8 ist der Ring 10 aus dichtfähigem Material angeordnet.

Dieser Ring l0 ist zweckmäßigerweise mit der Stirn- fläche 16 fest verbunden. Anders als in der Figur gezeigt, kann er sich in Gestalt einer mehrseitigen Beschichtung auch bis auf die hochdruckseitige Stirnfläche 15 des Kolbenrings erstrecken. Der Zwi- schenraum 13 erstreckt sich auch zwischen der inne- ren Umfangsfläche des Rings 10 und dem Boden 12 der Rille 8. Die äußere Umfangsfläche des Rings 10 steht geringfügig in axialer Richtung hinter die Mantelfläche des Kolbens 2 zurück.

Wenn in einer Hochdruckphase des Zylinders die Stirnfläche 15 einem hohen Druck ausgesetzt ist, kann sie unter gleichzeitiger Kompression des Rings 10 in axialer Richtung nach unten in der Figur zu- rückweichen, wodurch sich der Spalt 14 verbreitert und Kaltemittel in den Zwischenraum 13 eindringt.

Der Druck des Kältemittels auf die innere Umfangs- fläche 11 des Kolbenrings 9 preßt diesen gegen die Zylinderwand 1 und gewahrleistet so eine wirksame Dichtung zwischen diesen beiden Flächen. Gleichzei- tig preßt er den Ring 10 radial nach außen, so daß dieser sich gegebenenfalls gemeinsam mit dem Kol- benring 9 aufweitet und so dessen Auswärtsbewegung nicht behindert. Gleichzeitig schafft der axial komprimierte Ring 10 eine effektive Dichtung zwi- schen der niederdruckseitigen Stirnfläche 16 des Kolbenrings und der gegenüberliegenden Seitenwand der Rille 8.

Durch die Bemaßung des Rings 10 ist sichergestellt, daß dieser auch unter axialer Kompression nicht mit der Zylinderwand 1 in Kontakt kommt und daher kei- nem ReibverschleiS unterliegt.

Die Reibungskraft, die zum Bewegen des erfindungs- gemäß abgedichteten Kolbens aufgebracht werden muß, unterscheidet sich nicht wesentlich von der eines Kolbens mit herkömmlichen Kolbenringen. Die dem ge-

genüber erheblich verbesserte Dichtwirkung gestat- tet allerdings. den Gebrauch des erfindungsgemäß ab- gedichteten Kolbens bei Anwendungen mit erheblich erhöhten Drücken, so wie sie insbesondere in einer Klimaanlage auftreten, die ein Hochdruck- Kältemittel wie etwa CO2 verwendet.