-
Die
Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, und insbesondere einen Kühlmittelverdichter
einer Klimaanlage.
-
Stand der Technik
-
Bei
den als Kolbenverdichter bezeichneten Verdichtern saugt der im Arbeitszylinder
hin und herbewegte Kolben während
eines Ansaughubs das zu verdichtende gasförmige Medium durch eine mit
einem Einlassventil versehenen Einlass in den Arbeitszylinder an
und stößt das während eines
nachfolgenden. Druckhubs verdichtete Medium durch einen Auslass
wieder aus dem Arbeitszylinder aus, wenn sich ein im Auslass angeordnetes
Druckventil bei einem vorbestimmten Druck im Arbeitszylinder öffnet. Bei
herkömmlichen
Kolbenverdichtern wird die Hin- und Herbewegung des Kolbens mittels
eines Kurbeltriebs erzeugt, der zwischen einer rotierenden Antriebswelle
einer den Verdichter treibenden Arbeitsmaschine einerseits und dem
Kolben andererseits angeordnet ist und die Rotationsbewegung der
Antriebswelle in eine Translationsbewegung des Kolbens umwandelt.
Durch den Kurbeltrieb wird jedoch die Unwucht des hin und her beweglichen
Kolbens in Bezug zur Drehachse der Antriebswelle vergrößert, so
dass relativ schwere Ausgleichsgewichte erforderlich sind, die ebenso
wie der Kurbeltrieb selbst die Baugröße und das Gewicht des Verdichters
erhöhen. Außerdem weisen
diese Verdichter wegen der notwendigen Schwenkbewegung der Kurbel
in Bezug zum Kolben und in Bezug zur Antriebswelle einen relativ
komplizierten Aufbau auf, der bei der Fertigung nur geringe Toleranzen
zulässt,
so dass konventionelle Kolbenverdichter mit kleiner Baugröße nicht einfach
und preiswert herstellbar sind.
-
Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenverdichter
der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen einfachen Aufbau
besitzt, einfach und preiswert auch mit kleinerer Baugröße herstellbar
ist, und es ohne einen Kurbeltrieb gestattet, die Drehbewegung einer
Antriebswelle einer den Verdichter treibenden Arbeitsmaschine in
die Hin- und Herbewegung des Kolbens im Arbeitszylinder umzuwandeln.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Arbeitszylinder nicht wie bei herkömmlichen Kolbenverdichtern
stationär
im Gehäuse
des Verdichters angeordnet ist, sondern innerhalb des Gehäuses um
eine zur Bewegungsachse des Kolbens senkrechte Drehachse drehbar
ist, wobei eine zur Drehachse parallele oder exzentrische Führungsstange
im Gehäuse
ein Langloch des Hubkolbens durchsetzt, so dass dem Kolben bei der
Rotation des Arbeitszylinders um seine Drehachse von der Führungsstange
eine translatorische Hin- und Herbewegung in einer vorzugsweise
zur Drehachse senkrechten Zylinderbohrung des Zylinders aufgezwungen
wird.
-
Infolge
dieser Hin- und Herbewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung des
Arbeitszylinders während
der Drehbewegung des letzteren wird ein vom Umfang der Zylinderbohrung
und einer der beiden Stirnflächen
des Kolbens begrenzter Raum innerhalb des Arbeitszylinders während einer
halben Umdrehung des Arbeitszylinders vergrößert, während gleichzeitig ein vom
Umfang der Zylinderbohrung und der entgegengesetzten Stirnfläche des
Kolbens begrenzter Raum des Arbeitszylinders verkleinert wird. Auf
diese Weise kann ein zu verdichtendes Medium durch einen Einlass
des Gehäuses
angesaugt werden, der mit dem größer werdenden
Raum kommuniziert, und kann nach seiner Verdichtung in dem kleiner
werdenden Raum durch einen Auslass des Gehäuses ausgestoßen werden,
sobald dieser letztere infolge der Drehung des Arbeitszylinders
mit dem kleiner werdenden Raum kommuniziert.
-
Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich der
Einlass und der Auslass des Gehäuses
in Bezug zur Drehachse des Arbeitszylinders diametral gegenüberliegen
und voneinander durch Umfangswandabschnitte des Gehäuses getrennt
sind, welche die Zylinderbohrung zwischen dem Einlass und dem Auslass über einen
bestimmten Drehwinkel des Arbeitszylinders verschließen. Vorzugsweise
ist die Länge
der geschlossenen Umfangswandabschnitte so gewählt, dass die Zylinderbohrung
zumindest saugseitig nicht oder nur sehr kurz verschlossen wird,
um die Erzeugung eines Unterdrucks in dem größer werdenden Raum zu vermeiden.
Vorzugsweise ist die Führungsstange
gegenüber
einer durch den Einlass und den Auslass führenden Mittelebene des Gehäuses versetzt,
so dass der Kolben seine Endstellungen immer dann erreicht, wenn
er sich gerade zwischen dem Einlass und dem Auslass befindet und
durch einen Gehäusewandabschnitt
verschlossen ist.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Arbeitszylinder
einen mit der Zylinderbohrung versehenen Mittelteil und zwei in
axialer Richtung der Drehachse über
entgegengesetzte Stirnenden des Mittelteils überstehende Lagerzapfen auf,
die beiderseits des Mittelteils in Drehlagern im Gehäuse gelagert
sind. Dadurch lässt sich
eine sehr kompakte Bauweise des Gehäuses erreichen.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich
die Führungsstange parallel
zur Drehachse des Arbeitszylinders durch den Mittelteil und die
beiden hohlen Lagerzapfen hindurch erstreckt, so dass sie jenseits
der Lagerzapfen in entgegengesetzten Stirnwänden des Gehäuses befestigt
werden kann.
-
Die
Führungsstange
kann entweder starr, d. h. in einem festen Abstand von der Drehachse
des Arbeitszylinders, in den Stirnwänden des Gehäuses befestigt
werden, oder kann alternativ in Führungen der Stirnwände auf
die Drehachse zu und von der Drehachse weg verschiebbar sein, wodurch
sich die Länge
des Bewegungswegs des Kolbens und damit die Fördermenge des Verdichters pro
Umdrehung des Arbeitszylinders verändern lässt. Die Mittel zur Veränderung
des Abstands der Führungsstange
von der Drehachse des Arbeitszylinders können neben den Führungen
einen Stellmotor oder hydraulische bzw. pneumatische Stellglieder
umfassen.
-
Um
im Falle einer Verkleinerung des Bewegungswegs des Kolbens eine
Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verdichters zu verhindern,
ist im Einlass des Gehäuses,
oder vor dem Einlass, ein Saugventil und im Auslass des Gehäuses, oder
hinter dem Auslass, ein Druckventil vorgesehen, wobei sich das letztere
erst dann öffnet,
wenn der Druck des gasförmigen
Mediums vor dem Druckventil einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Erst nach dem Öffnen des
Druckventils wird das gasförmige
Medium gefördert,
während
es zuvor nur verdichtet wird. Die zur Verdichtung des Mediums eingesetzte
Arbeit wird bei der Expansion des Mediums im Auslass in Bewegungsenergie
umgewandelt, so dass der Wirkungsgrad trotz Verkleinerung des Kolbenhubs
erhalten bleibt. Auf der Saugseite wird in Abhängigkeit vom Kolbenhub lediglich
die Menge an gasförmigem
Medium angesaugt, die dann bei der Drehung des Arbeitszylinders
in der Zylinderbohrung mitgeführt
wird.
-
Die
Länge des
Bewegungswegs des Kolbens, d. h. der Kolbenhub, hängt von
der Exzentrizität
der Führungsstange,
d. h. dem Abstand der Mittelachse der Führungstange von der Drehachse
ab, und wird vorzugsweise so gewählt,
dass sich der Kolben in seinen beiden Endstellungen (bei starrer
Führungsstange)
bzw. in seinen äußersten
Endstellungen (bei verschiebbarer Führungsstange) an den entgegengesetzten
Stirnenden der Arbeitszylinderbohrung befindet, jedoch nicht über die
Arbeitszylinderbohrung hinaus übersteht.
-
Der
Kolben kann an seinen Stirnenden durch ebene Stirnflächen begrenzt
werden, jedoch können die
Stirnflächen
auch im Querschnitt konvex nach außen gebogen sein und einen
dem Krümmungsradius der
zylindrischen Gehäusewand
entsprechenden Krümmungsradius
besitzen, um der Verdichtungsgrad zu vergrößern.
-
Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Langloch
den Kolben in der Mitte zwischen den entgegengesetzten Stirnflächen durchsetzt
bzw. dass gegenüberliegende
Begrenzungen des Langlochs senkrecht zur Bewegungsachse des Kolbens
ausgerichtet sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter;
-
2 eine
Seitenansicht des Kolbenverdichters in Richtung der Pfeile II der 1;
-
3 eine
Längsschnittansicht
des Kolbenverdichters entlang der Linie III-III der 1;
-
4 eine
Querschnittsansicht des Kolbenverdichters entlang der Linie IV-IV
der 2;
-
die 5a bis 5f einen
Ausschnitt aus der Querschnittsansicht der 4 in unterschiedlichen
Drehstellungen des Arbeitszylinders während einer Drehung um 180
Grad.
-
Ausführungsform der Erfindung
-
Der
in der Zeichnung dargestellte Kolbenverdichter 2 dient
als Kompressor einer Klimaanlage. Er besteht im Wesentlichen aus
einem Gehäuse 4 mit einem
Einlass 6 für
ein zu verdichtendes gasförmiges Kältemittel
und einem Auslass 8 für
das verdichtete Kältemittel,
einem im Gehäuse 4 in
zwei Drehlagern 10, 12 (3) um eine
Drehachse 14 drehbar gelagerten Arbeitszylinder 16,
einem während
einer Umdrehung des Arbeitszylinders 16 in einer Zylinderbohrung 18 des
Arbeitszylinders 16 hin und her beweglichen Hubkolben 20,
sowie einer in Bezug zur Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 exzentrischen Führungsstange 22,
die sich durch das Gehäuse 4, den
Arbeitszylinder 16 und durch ein Langloch 24 im Hubkolben 20 hindurch
erstreckt.
-
Das
Gehäuse 4 besteht
im Wesentlichen aus einem mittleren Gehäuseteil 26 mit einer
zylindrischen Umfangswand 28 und zwei an entgegengesetzten
Stirnenden der Umfangswand 28 angeordneten ebenen Stirnwänden 30, 32,
die einen zur Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 koaxialen
zylindrischen Hohlraum 34 (3) begrenzen,
sowie einem mit dem Einlass 6 versehenen Einlassstutzen 36 und einem
mit dem Auslass 8 versehenen Auslassstutzen 38,
die nach außen über diametral
entgegengesetzte Seiten der Umfangswand 28 überstehen.
Die Stirnwand 32 ist als Gehäusedeckel ausgebildet und lässt sich
zum Zerlegen des Verdichters 2 öffnen.
-
Die
beiden Stirnwände 30, 32 sind
mit fluchtenden, exzentrisch zu ihrer Mitte angeordneten axialen
Aufnahmebohrungen 40, 42 für die Führungsstange 22 versehen,
die sich im Abstand von der Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 und
parallel zu dieser durch den vom Gehäuse 4 umschlossenen Hohlraum 34 hindurch
erstreckt, wobei sie in den Aufnahmebohrungen 40, 42 der
beiden Stirnwände 30, 32 befestigt
ist.
-
Sowohl
der Einlassstutzen 6 und der Auslassstutzen 8 weisen
einen zum mittleren Gehäuseteil 26 benachbarten
erweiterten Abschnitt 44 und einen vom mittleren Gehäuseteil 26 abgewandten,
den eigentlichen Einlass 6 bzw. Auslass 8 begrenzenden verengten
Abschnitt 46 auf. Bei dem dargestellten Kolbenverdichter 2 besitzt
der Abschnitt 44 einen rechteckigen Querschnitt, dessen
Abmessungen in einer zur Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 senkrechten
Richtung größer als
in Richtung der Drehachse 14 sind, während der Abschnitt 46 zum
Anschluss an ein Saugrohr bzw. Druckrohr (nicht dargestellt) der Klimaanlage
einen kreisförmigen
Querschnitt besitzt. Jedoch können
auch andere Querschnittsformen und -abmessungen verwendet werden.
-
In
den Einlass 6 wird ein Saugventil (nicht dargestellt) eingesetzt,
das sich öffnet,
wenn im Inneren des erweiterten Abschnitts 44 des Einlasses 6 ein Unterdruck
herrscht, während
in den Auslass 8 ein Druckventil (nicht dargestellt) eingesetzt
wird, das sich öffnet,
wenn der Druck im Inneren des erweiterten Abschnitts 44 des
Auslasses 8 einen vorbestimmten Druck übersteigt.
-
Der
Arbeitszylinder 16 besitzt einen im Querschnitt kreisförmigen Mittelteil 48 und
zwei in axialer Richtung der Drehachse 14 über entgegengesetzte ebene
Stirnseitenflächen 50, 52 des
Mittelteils 48 überstehende
hohle Lagerzapfen 54, 56, die beiderseits des
Mittelteils 48 in den beiden Drehlagern 10, 12 gelagert
sind. Der Innendurchmesser von jedem der beiden hohlen Lagerzapfen 54, 56 ist
mindestens so groß wie
die Summe aus dem Abstand einer Mittelachse 60 der Führungsstange 22 von
der Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 plus
dem Radius der Führungsstange 22 (vgl. 3),
so dass sich diese letztere durch die hohlen Lagerzapfen 54, 56 hindurch
bis in die Aufnahmebohrungen 40, 42 der Stirnwände 32, 30 erstrecken
kann.
-
Der
Mittelteil 48 des Arbeitszylinders 16 begrenzt
die zur Aufnahme des Hubkolbens 20 dienende Zylinderbohrung 18,
deren Mittelachse 58 die Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 im
rechten Winkel schneidet. Der Innendurchmesser der Bohrung 18 ist
geringfügig
größer als
der Außendurchmesser
des Hubkolbens 20, so dass sich dieser entlang der Bohrung 18 hin
und her bewegen kann.
-
Der
Hubkolben 20 wird von zwei entgegengesetzten ebenen Stirnflächen 62, 64 und
einer zylindrischen, mit Dichtungen (nicht dargestellt) versehenen
Umfangsfläche 66 begrenzt.
Alternativ dazu können
die Stirnflächen
jedoch auch konvex nach außen gewölbt sein.
Wie am besten in 4 dargestellt, ist das Langloch 24 des
Hubkolbens 20 mit seiner Längsachse 68 senkrecht
zur Längsachse 58 des Hubkolbens 20 und
der Zylinderbohrung 18 ausgerichtet, wobei seine Länge dem
Doppelten der Exzentrizität
der Führungsstange 22 plus
dem Durchmesser der Führungsstange 22 entspricht.
Das Langloch 24 durchsetzt den Kolben 20 in der
Mitte zwischen den beiden Stirnflächen 62, 64,
wobei seine gegenüberliegenden
parallelen Begrenzungsflächen 70, 72 parallel
zu den Stirnflächen 62, 64 ausgerichtet
sind. An den entgegengesetzten Stirnenden des Langlochs 24 sind
die Begrenzungsflächen 70, 72 durch
gerundete Begrenzungsflächen 74, 76 mit einem
dem Radius der Führungsstange 22 entsprechenden
Krümmungsradius
miteinander verbunden.
-
Die
durch das Langloch 24 und die hohlen Lagerzapfen 54, 56 verlaufende
langgestreckte zylindrische Führungsstange 22 weist
einen Außendurchmesser
auf, der geringfügig
kleiner als der Abstand der gegenüberliegenden parallelen Begrenzungsflächen 70, 72 des
Langlochs 24 ist, so dass sich der in der Bohrung 18 geführte Hubkolben 20 während der Drehung
des Arbeitszylinders 16 in Bezug zur stationären Führungsstange 22 entlang
des Langlochs 24 verschieben kann.
-
Um
die Flächenpressungen
zwischen der Führungsstange 22 und
den gegenüberliegenden parallelen
Begrenzungsflächen 70, 72 des
Langlochs 24 zu verringern, kann im Bereich des Langlochs 24 auf
der Führungsstange 22 ein
Gleitstein (nicht dargestellt) montiert werden, der mit Gleitpassung
um die Mittelachse 60 der Führungsstange 22 drehbar
ist und an seinem äußeren Umfang
zwei zu den Begrenzungsflächen 70, 72 des
Langlochs 24 parallele Flächen aufweist, so dass an Stelle
eines Linienkontakts zwischen der Führungsstange 22 und
den Begrenzungsflächen 70, 72 ein
Flächenkontakt
zwischen dem Gleitstein und den Begrenzungsflächen 70, 72 vorhanden
ist.
-
Die
durch das Langloch 24 verlaufende Führungstange 22 bewirkt,
dass der in der Zylinderbohrung 18 geführte Hubkolben 20 während jeder
halben Umdrehung des Arbeitszylinders 16 in Bezug zum Arbeitszylinder 16 eine
Translationsbewegung zwischen zwei entgegengesetzten, in den 5a bzw. 5f dargestellten
Endstellungen ausführt.
Während
einer vollständigen
Umdrehung des Arbeitszylinders 16 bewegt sich der Hubkolben 20 somit
einmal in der Zylinderbohrung 18 vor und zurück. Die 5b bis 5e zeigen
die Position des Hubkolbens 20 nach einer Drehung des Arbeitszylinders 16 um
30, 60, 90, 120 bzw. 150 Grad im Uhrzeigersinn aus der in 5a dargestellten
Stellung.
-
Bei
dieser Bewegung des Hubkolbens 20 aus der in 5a dargestellten
Stellung wird ein von der Stirnfläche 64 des Kolbens 20,
vom Umfang der Zylinderbohrung 18 und von einem Abschnitt
der Umfangswand 28 des Gehäuses 4 zwischen Auslassstutzen 38 und
Einlassstutzen 36 begrenzter Raum 78 vergrößert, der
sich im Zuge der Drehung des Arbeitszylinders 16 am Einlass 6 vorbeibewegt,
wie in den 5a bis 5f dargestellt,
so dass das zu verdichtende bzw. zu fördernde Gas während eines Ansaugzyklus
durch den Einlass 6 und das sich öffnende Saugventil (nicht dargestellt)
in den Raum 78 angesaugt wird. Gleichzeitig wird am entgegengesetzten
Stirnende des Hubkolbens 20 ein entsprechender, von der
Stirnfläche 62,
vom Umfang der Zylinderbohrung 18 und von einem Abschnitt
der Umfangswand 28 des Gehäuses 4 zwischen Einlassstutzen 36 und
Auslassstutzen 38 begrenzter Raum 80 verkleinert,
während
er sich am Auslass 8 vorbeibewegt, so dass das beim vorangehenden
Ansaugzyklus in den Raum 80 angesaugte Volumen aus dem Raum 80 in
den Auslass 8 ausgeschoben wird. Sobald der Druck im erweiterten
Abschnitt 44 des Auslassstutzens 38 einen vorbestimmten
Druck übersteigt, öffnet sich
das Druckventil (nicht dargestellt) im Auslass 8, woraufhin
das verdichtete Gas aus dem Auslass 8 abgefördert wird.
-
Der
Bewegungsweg des Hubkolbens 20 in der Zylinderbohrung 18 entspricht
dem Doppelten der Exzentrizität
der Führungsstange 22,
d. h. dem doppelten Abstand zwischen der Drehachse 14 des Arbeitszylinders 16 und
der Mittelachse 60 der Führungsstange 22. Dabei
darf sich der Kolben 20 nicht über seine beiden in 5a und 5f dargestellten Endstellungen
hinausbewegen, um eine Kollision mit der Gehäusewand 28 zwischen
Einlassstutzen 36 und Auslassstutzen 38 zu verhindern.
Bei einer Drehung des Arbeitszylinders 16 um 180 Grad aus
der in 5d dargestellten Mittelstellung
des Kolbens 20 bewegt sich die Führungsstange 22 einmal über die gesamte
Länge des
Langlochs 24.
-
Um
den Kolbenverdichter 2 anzutreiben, wird der Arbeitszylinder 16 in
Drehung versetzt. Dies kann zum Beispiel über ein von einer Antriebswelle einer
Arbeitsmaschine angetriebenes Ritzel erfolgen, das oberhalb oder
unterhalb der Zylinderbohrung 18 durch eine Öffnung (nicht
dargestellt) in der Umfangswand 28 des Gehäuses 4 mit
einer komplementären
Verzahnung am äußeren Umfang
des Arbeitszylinders 16 im Zahneingriff steht (nicht dargestellt).
-
Um
die bei einer Umdrehung des Arbeitszylinders 16 geförderte Menge
des gasförmigen
Kältemittels
zu verändern,
kann die Exzentrizität
der Führungsstange 22,
d. h. der Abstand der Mittelachse 60 der Führungsstange 22 von
der Drehachse 14, verändert
werden, indem an Stelle zweier mit einer Aufnahmebohrung 40, 42 versehener
Gehäusestirnwände 32, 30 zwei
Gehäusestirnwände verwendet
werden, die mit Führungen
(nicht dargestellt) für
die Stirnenden der Führungstange 22 versehen
sind. Die Verschiebung der Führungsstange
in den zum Beispiel radial zur Drehachse 14 ausgerichteten
Führungen
kann mit Hilfe eines elektrischen Stellmotors oder eines hydraulischen
oder pneumatischen Stellglieds erfolgen.