DE69210696T2

DE69210696T2 - Ringventilplatteanordnung für eine Fluidverdrängerpumpe

Info

Publication number: DE69210696T2
Application number: DE69210696T
Authority: DE
Inventors: Nathan Ritchie; Dan L Streutker
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: MX9203491A; US5277560A; EP0522745B1; EP0522745A1; JPH06147124A; BR9202405A; DE69210696D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im großen und ganzen Ventile zur Regelung einer Fluidströmung, die betrieben werden, um eine Fluidströmung automatisch zuzulassen und zu unterbrechen, und sie betrifft spezieller ringartige Ventilkonstruktionen, die als Lufteinlaßventile und -auslaßventile bei Hochdruckgaskompressoren und Fluidpumpen verwendet werden. Konkret betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung bei der Ringventilkonstruktion, die in unserem Patent US-A-5,022,832 von den Erfindern Jerre F. Lauterbach, Nathan Ritchie und Richard F. Miller mit dem Titel "Ring Valve Type Air Compressor" beschrieben sind.
Ringartige Ventile an sich sind im Stand der Technik weithin bekannt und haben eine große Akzeptanz bei der Verwendung für Luftkompressoren und Pumpen. Grundsätzlich werden diese ringartigen Ventile durch Druckunterschiede an gegenüberliegenden Seiten des Ringventils geöffnet oder geschlossen. Es ist ebenfalls bislang bekannt, Vorspann- oder Federeinrichtungen zusammen mit solchen Ringventilen zu verwenden, um die Ventilbewegung genau auf einen Druckunterschied zu regeln, der über der Federkraft der Feder liegt, die für jeden Fall ausgewählt wird. Auf diese Weise wird das Ventil nur bei Erreichen eines bestimmten Druckunterschieds geöffnet oder geschlossen, der von den Federeigenschaften der ausgewählten Feder und der Masse des Ventus abhängt, wodurch die Ventilaktion vorhergesagt werden kann. US-A-3,050,237 offenbart einen Kompressor mit ringartigen Ventilen als Einlaß- und Auslaßventil Der Dichtsitz von jedem Ringventil wird durch eine jeweilige zurückziehende Feder unterstützt, die in einem Hohlraum in dem Zylinderkopf angebracht ist.
US-A-5,022,832 war darauf ausgerichtet, verschiedene Probleme im Stand der Technik zu lösen, die an solchen Konstruktionen erläutert werden, die z.B. bei Herzmark, US-A-2,382,716, erschienen am 14. August 1945, und Garland, US-A-3,786,834, erschienen am 22. Januar 1974, gezeigt sind. Solche Konstruktionen offenbaren im großen und ganzen die Verwendung von Federscheiben, die frei unterstützt werden, um das Ringventil in eine erwünschte Stellung vorzuspannen Diese Art einer Anordnung von Federscheibe und Ringventil erfordert eine zusätzliche Unterstützungskonstruktion, um die Federscheibe zu halten, was die Effizienz des Luftkompressors durch Verminderung des Kompressionsvolumens eines jeden Zylinders an dem Ende des Saugtaktes verringert und die Kosten, das Gewicht und die Komplexität der Ventilanordnung erhöht. US-A-5,022,832 löst diese Probleme der früheren Dokumente durch Bereitstellen einer Vorspanneinrichtung für das Ringventil mit einem Randgebiet, das mit der Fluidpumpe verbunden ist, um das Ringventil zwischen dem Zylinderkopf und der Vorspanneinrichtung zu halten und somit die zusätzliche Tragekonstruktion und die verringerte Effizienz der früheren Vorrichtungen zu beseitigen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei bestimmten Anwendungen in Folge von Gasturbulenzen oder ähnlichem einige Probleme bei einer derartig verbesserten Vorrichtung aufgetreten sind, wie z.B. daß die Ringventile anfangen, um die Achse zu drehen und in Folge von Resonanzbedingungen, die das Ringventil veranlassen, auf den Ventilsitz mit übermäßiger Kraft zu schlagen und in der Nähe der Kontaktgebiete zwischen dem Ventilsitz und dem Ringventil verbeult zu werden, abgenutzt werden und daher eventuell einen undichten Zustand zu bewirken. Daher werden zusätzliche Verbesserungen bzw. eine Erfindung benötigt, um diese Probleme zu lösen.
Ein in dem Patent von Cooper US-A-2,728,351, erschienen am 27. Dezember 1955, verfolgter Ansatz war, den Zylinderblock und die Buchse mit einer verjüngten Fläche herzustellen und das Ringventil derart anzuordnen, daß seine Durchbiegung in eine konische oder kegelstumpfförmige Form durch die verjüngte Fläche begrenzt wird. Ein Nachteil bei diesem Ansatz sind die Kosten und das Risiko eines Fehlers der maschinellen Herstellung, der bewirken kann, daß der gesamte Zylinderblock und/oder die Buchse Ausschuß wird. Ein weiterer Nachteil ist der größenbegrenzte Charakter des Ringventils. Wenn die lichte Weite der Zylinderbohrung geändert wird, muß das Ringventil ausgetauscht werden, so daß seine Größe zu der lichten Weite der verjüngten Fläche paßt, die sich mit der lichten Weite der Bohrung ändert.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der erste Nachteil durch die Verwendung von einem Auslaßventil mit einem separaten Halter überwunden. Der Halter stellt eine verjüngte Fläche zur Verfügung, um als eine Sicherung für die Durchbiegung des Ringventils verwendet zu werden, aber er ist ein kostengünstigeres Teil, das nicht eine spezielle maschinelle Bearbeitung des Zylinderblocks oder der Buchse erfordert. Wenn ein Fehler bei der maschinellen Bearbeitung bei dem Halter gemacht wird, wird ein kostengunstigeres Teil Ausschuß und der Zylinderblock oder die Buchse sind nicht betroffen. Bei der vorliegenden Erfindung kann der gleiche Halter bei Bohrungen verschiedener lichter Weiten, wie z.B. sowohl bei einer 92,8 mm (3 5/8") als auch einer 98,4 mm (3 7/8") Bohrung, verwendet werden. Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine größere Flexibilität zur Verfügung gestellt.
US-A-3,050,237, auf die oben Bezug genommen wurde, weist eine Zwischenplatte mit darin ausgebildeten ringförmigen Hohlräumen auf, wobei jeder einer jeweiligen Öffnung aus einer Reihe von Einlaß- oder Ansaugöffnungen und der Ausstoß- oder Ablaßöffnung gegenüberliegt. Jeder Hohlraum weist in seiner radial inneren Wand eine flache Stufe und in seiner radial äußeren Wand eine tiefere Stufe auf. Die jeweiligen Rückholfedern sitzen an der Bohrung der Hohlräume. Eine anfängliche Öffnungsbewegung einer jeden Ringventilscheibe gegen die Wirkung der jeweiligen Rückholfeder wird durch die flache Stufe in der radial inneren Wand des Hohlraums begrenzt, der durch das radial innere Gebiet der jeweiligen Ringventilscheibe begrenzt wird. Die radial innere Stufe dient dann als ein Drehpunkt, um den sich die jeweilige Ringventilscheibe biegt, bis ihr radial äußerer Rand an die tiefere äußere Stufe angrenzt. Die Rückholfeder ist notwendig, zumindestens soweit die Einlaß- oder Ansaugöffnung betrachtet wird, um ein sofortiges Öffnen der jeweiligen Ventilscheibe zu gewährleisten, weil die letztere auf einer Seite des Strömungsweges zwischen die Ansaugöffnungen und die Kompressionskammer verschoben ist, wenn sie nicht im Sitz ist. Ebenfalls wird die freie Verbindung zwischen dem Strömungsweg und dem Teil des jeweiligen Hohlraums auf der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Ventilscheibe durch die umfänglichen Randgebiete der Ventilscheibe gehemmt, die an den inneren und äußeren Schultern sitzen.
Eine Lösung zu einigen der oben diskutierten Probleme wird bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellen einer Ringventilanordnung erreicht, die nicht mehr notwendigerweise eine externe Federvorspanneinrichtung aufweist, sondern sozusagen das aufweist, was man als "innere" Federvorspanneinrichtung bezeichnen kann, d.h. eine Vorspannung, die von der Eigenschaft des Ringventils selbst abhängt. Das wird durch physisches Zwingen des inneren oder äußeren umfänglichen Rands des Ringventils zwischen gegenüberliegende Flächen mit, wenn erwünscht, einem kleinen Spiel, und dadurch daß sich das Ringventil während der Betätigung in die Gestalt von einem Konus verformt hat, erreicht. Dadurch, daß fur eine mehrstufige Biegung des Ringventils gesorgt wird, kann die erwünschte Steifigkeit ohne die Verwendung von komplizierten Ventilformen erreicht werden. Bei einem damit verwandten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Halter mit einer verjüngten Fläche als eine Sicherung für die Ringventilbiegung verwendet.
Ringventile, deren umfängliche Ränder gezwängt werden, sind auf dem Gebiet von Luftkompressoren bekannt, wie z.B. aus US-A- 2,728,351 und US-A-3,112,064. Sie sind ebenfalls bekannt aus AT- B-871336.
Die in diesen früheren Veröffentlichungen gezeigten Ringventile haben jedoch im großen und ganzen sehr komplizierte und schwierig herzustellende Formen und sorgen nur für eine begrenzte Biegung und/oder erfordern Unterstützungsplatten, um ihre Bewegungen zu erzwingen, und es ergeben sich somit ganz eigene Probleme bei ihrer Verwendung. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfordert das Ringventil keine Unterstützungsplatte und keine komplizierten Formen, um einen weiten Bereich von Durchbiegungen und Steifigkeit zur Verfügung zu stellen. Was bei diesem einen Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist ein einfaches ringförmig gestaltetes Ringventil mit mehreren Stufen an Durchbiegung Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Auslaßventil mit einem separaten Halter mit einer verjüngten Fläche verwendet, die eine Sicherung für die Ringventildurchbiegung zur Verfügung stellt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidpumpenvorrichtung, wie z.B. einen Luftkompressor, zur Verfügung zu stellen, die einen vergrößerten volumetrischen Wirkungsgrad und eine vergrößerte Haltbarkeit aufweist, während gleichzeitig Kosten, Gewicht und Komplexität reduziert sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ventilanordnung für einen Luftkompressor zur Verfügung zu stellen, wobei externe Federvorspanneinrichtungen vermieden werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ringventilanordnung für einen Luftkompressor zur Verfügung zu stellen, wobei die Ringventile verschiedene Stufen an Bewegung und Durchbiegung während dem Betrieb durchmachen.
Gemäß einem Gesichtspunkt dieser Erfindung wird eine Ringventilanordnung für die Verwendung bei einer Fluidpumpe der hin- und hergehenden Art mit einem Kolben und einem Zylinderkopf zur Verfügung gestellt, wobei die Ringventilanordnung wie im Anspruch 1 beansprucht ausgebildet ist. Bevorzugte Ausführungen dieser Ringventilanordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beansprucht.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Ventilanordnung und hin- und hergehende Fluidpumpe wie in Anspruch 5 beansprucht zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Luftkompressor wie in Anspruch 6 beansprucht, zur Verfügung gestellt. Bevorzugte Merkmale dieses Luftkompressors sind in den Ansprüchen 7 bis 9 beansprucht.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen offenbar, wobei auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Patentschrift bilden, Bezug genommen wird, wobei gleiche Bezugszeichen sich entsprechende Teile und verschiedene Ansichten bezeichnen.
Figur 1 zeigt eine teilweise freigeschnittene Ansicht von einem Luftkompressor der Ringventilart, der die vorliegende Erfindung verkörpert.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Zylinderkopfes des in Figur 1 gezeigten Luftkompressors der Ringventilart.
Figur 3 zeigt eine verlängerte Ansicht eines Zylinderkopfes eines Luftkompressors der Ringventilart, der ähnlich zu dem in Figur 1 gezeigten ist, aber eine Entlastungsvorrichtung aufweist, die an seinem Einlaß befestigt ist, wobei diese Entlastungsvorrichtung im Schnitt gezeigt wird.
Figur 4 zeigt eine Ansicht, die in der Richtung der Pfeile entlang der Linie 4-4 von Figur 3 gemacht ist.
Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung aus Ringventil und Ventilhalter, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Figur 6 zeigt eine Modifikation des in Figur 5 gezeigten Ventilhalters.
Figur 7 zeigt eine Ansicht des in Figur 6 gezeigten Ventilhalters.
Figur 8 zeigt eine weitere vergrößerte Ansicht des in Figur 2 gezeigten Zylinderkopfes, die den Betrieb der Ringventile der vorliegenden Erfindung an dem Anfang des Ansaugtaktes einer Fluidpumpe zeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
Figur 9 zeigt eine Ansicht der in Figur 8 gezeigten Fluidpumpe zu dem Zeitpunkt, wenn die Fluidpumpe der vorliegenden Erfindung gerade ihren Verdichtungstakt begonnen hat.
Figur 10 zeigt eine Ansicht der in den Figuren 8 und 9 gezeigten Fluidpumpe, wenn die Pumpe in der Nähe des oberen Hubendes ihres Verdichtungstaktes ist, das Einlaßringventil geschlossen und das Auslaßringventil geöffnet ist.
Figur 11 zeigt eine weitere Modifikation des in Figur 5 gezeigten Ventilhalters.
Figur 12 zeigt eine vergrößerte Ansicht des in Figur 11 gezeigten modifizierten Ventilhalters.
Figur 13 zeigt eine stark vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des in den Figuren 8 bis 10 gezeigten Ventilkörpers, wobei die Spiele des Einlaßringventils und Auslaßringventils beim Betrieb gezeigt werden.
Figur 14 zeigt eine zum großen Teil zu Figur 13 ähnlich Ansicht, aber sie zeigt den Kolben der Fluidpumpe zu einem sehr frühen Zeitpunkt ihres Ansaugtaktes.
Figur 15 zeigt eine zum großen Teil zu Figur 14 ähnliche Ansicht, aber sie zeigt den Kolben im weiteren Verlauf des Ansaugtaktes und stellt die Stufen der Durchbiegung des Einlaßringventils dar.
Figur 16 zeigt ein Diagramm der Verschiebung über dem Druck bzw. der Kraft, die erforderlich ist, um die Ringventile zu verschieben.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Details der Konstruktion und der Anordnung der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Teile beschränkt ist, weil die Erfindung andere Ausführungsbeispiele bieten kann und auf verschiedene Wege innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche durch- oder ausgeführt werden kann. Es versteht sich ebenfalls, daß die hierin verwendeten Ausdrücke und Wörter zum Zweck der Beschreibung und nicht der Beschränkung verwendet wurden.
Zum Zweck der Förderung eines Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel Bezug genommen und spezifische Sprache wird verwendet, um es zu beschreiben. Nichtsdestoweniger versteht es sich, daß keine Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung dabei beabsichtigt ist, wobei derartige Veränderungen und weitere Modifikationen bei der dargestellten Vorrichtung und derartige weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung wie darin dargestellt, betrachtet werden, als würden sie einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, normal erscheinen.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Figuren 1 und 2 wird eine Ventilanordnung gezeigt, die einen Abschnitt von einem Luftkompressor oder einer Fluidpumpe bildet. Man soll verstehen, daß die Ventilanordnung an einer Fluidpumpe einer ähnlichen Art verwendet werden kann, obwohl die Beschreibung hier hauptsächlich von einem Luftkompressor handelt. Ebenso kann die Ventilanordnung unterschiedlich orientiert sein und nach wie vor gut innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen, obwohl sie in einer horizontalen Orientierung gezeigt ist.
Es ist ein Luftkompressor 20 der hin- und hergehenden Art mit einem Kolbenzylinder 21 gezeigt, in dem ein Kolben 22 zum Hin- und Hergehen montiert ist, der mit einer Pleuelstange 23 verbunden ist, die wiederum mit einer Kurbelwelle 24 verbunden ist, um die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 22 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 24 umzusetzen.
Als oberer Verschluß des Kolbenzylinders 21 dient der Zylinderkopf, der im großen und ganzen mit der Nummer 25 bezeichnet ist und bei einer typischen Einrichtung aus einem Kompressorventilkörper 26, der Dichtflächen (Ventilsitzeinrichtungen) für die hiernach beschriebenen Ringventile aufweist, einem Kompressorkopf 27 und einer Abdeckplatte 28 besteht. Eine Abdeckplattendichtung 29 sorgt für die Dichtung der Abdeckplatte 28 gegen den Kompressorkopf 27. Eine Kopfdichtung 30 sorgt für die dichtende Verbindung des Kompressorkopfes 27 zu dem Kompressorventilkörper 26, während die Ventilkörperdichtung 31 für eine dichtende Verbindung des Kompressorventilkörpers 26 zu dem Oberteil des Kolbenzylinders 21 sorgt.
Die Abdeckplatte 28 wird an den Kompressorventilkörper 26 mittels der Schraube 33 befestigt, die zuerst durch die Unterlegscheibe 34 und dann durch das in der Abdeckplatte 28 vorgesehene Loch 35 gesteckt wird. Danach wird sie durch das zweite Loch 36, das in der Mitte des Kompressorkopfes 27 vorgesehen ist, und in die Gewindeöffnung 37 gesteckt, die in dem zentralen Pfostenabschnitt 38 des Kompressorventilkörpers 26 vorgesehen ist. Wenn die Schraube 33 angezogen ist, sind sowohl die Abdeckplatte 28 als auch der Kompressorkopf 27 abdichtend an dem Kompressorventilkörper 26 befestigt. Eine Aussparung 32 ist in der Abdeckplatte 28 vorgesehen.
Der Kompressorventilkörper 26 wird wiederum an dem Oberteil des Kolbenzylinders 21 durch die Kopfschrauben 39 befestigt, die für eine einfachere Darstellung nur in Figur 1 gezeigt sind.
Man kann sehen, daß der Kolbenzylinder 21, der Kolben 22 und der Zylinderkopf 25 eine Fluidkammer definieren, insbesondere eine Gaskompressionskammer 40, deren Volumen durch die Bewegung des Kolbens 22 variiert wird.
Der Kompressorkopf 27 bestimmt zusammen mit dem Kompressorventilkörper 26 Luftströmungswege für Luftansaugung und Luftausstoß. Mindestens ein Lufteinlaß 45 ist in dem Kompressorventilkörper 26 vorgesehen, der sich in eine Galerie 46 öffnet, die ebenfalls in dem Kompressorventilkörper 26 ausgebildet ist und einen ringförmigen Kanal zur Luftverteilung an der Unterfläche des Kompressorventilkörpers 26 zur Verfügung stellt. Die Galerie 46 wird weiterhin an der Unterfläche des Kompressorventilkörpers 26 durch eine innere kreisförmige Rille 47 und eine äußere kreisförmige Rille 49 bestimmt. Ein Aussparungsgebiet 48 ist direkt angrenzend an die innere kreisförmige Rille 47 vorgesehen. Die innere und die äußere kreisförmige Rille 47 bzw. 49 dienen zusammen als ein Ventilsitz für das Einlaßventil, das Teil des Ringventils 50 ist.
Man kann sehen, daß die äußere kreisförmige Rille 49 den Kolbenzylinder 21 und die Ventilkörperdichtung 31 überlappt, und somit wird der äußere umfängliche Rand des Ringventils 50 festgeklemmt oder zwischen ein erstes Paar von gegenüberliegenden ringförmigen Flächen gezwungen, die durch die Ventilkörperdichtung 31 und den Kompressorventilkörper 26 gebildet werden. Es gibt einen Abstand bzw. ein Spiel zwischen dem Ringventil 50 und der äußeren ringförmigen Rille 49, der bzw. das zuläßt, daß sich das Ringventil 50 leicht dreht, bevor es anfängt sich zu verformen. Das wird genauer im Zusammenhang mit den Figuren 13 bis 16 beschrieben.
Auf eine ähnliche Weise sind an der oberen Fläche des Kompressorventilkörpers 26 eine zweite innere kreisförmige Rille 55 und eine zweite äußere kreisförmige Rille 56 vorgesehen, die zusammen als eine zweite Ventilsitzeinrichtung für das zweite Ringventil 57 dienen. Die Abmessungen der zweiten inneren kreisförmigen Rille 55 und die Abmessung der Innenseite des zweiten Ringventils 57 sind derart, daß das zweite Ringventil über einen ringförmigen Stützabschnitt 58 des Kompressorventilkörpers 26 rutschen und an der zweiten kreisförmigen Rille zur Ruhe kommen kann. Das zweite Ringventil wird dabei durch ein zweites Paar von gegenüberliegenden ringförmigen Flächen, die durch den Ventilhalter 59 und die zweite innere Rille 55 gebildet werden, gezwungen. In dem Fall des zweiten Ringventils 57 ist es der innere umfängliche Rand des Ringventils, der durch den Ventilhalter 59 am Platz gehalten wird, der über dem Oberteil des zweiten Ringventils 57 an dem ringförmigen Stützabschnitt 58 befestigt ist. Dort kann ein kleines Spiel zwischen dem Oberteil des Ventilhalters 59 und der Zylinderkopfdichtung 30 vorgesehen sein, um eine leichte Bewegung bei bestimmten Betriebsbedingungen zu ermöglichen, wenn Resonanz andererseits ein Problem sein könnte.
Um ausreichenden Druck auf das zweite Ringventil 57 auszuüben, so daß es in die Gestalt von einem Konus während des Ausstoßtaktes der hiernach beschriebenen Fluidpumpe verformt wird, muß der Ventilhalter 59 ausreichenden Druck darauf ausüben, um das zu ermöglichen. Eine ringförmige Aussparung 60 (siehe Figur 5) ist an dem Oberteil des Ventilhalters 59 vorgesehen und eine gewellte Scheibe 61 wirkt zwischen dem Zylinderkopf 27 und dem Ventilhalter 59, um ausreichenden Druck auf das zweite Rinaventil 57 auszuüben. Wie bei dem Einlaßventil kann dort ein Abstand bzw. Spiel zwischen dem Ventilhalter 59 in seiner untersten Stellung und dem Oberteil des Ausstoßventils 57 sein, der bzw. das es ermöglicht, daß sich das Ausstoßventil 57 leicht drehen kann, bevor es beginnt, sich zu verformen. Das wird ebenfalls detaillierter in Verbindung mit den Figuren 13 bis 16 gezeigt.
Ein Auslaß 62 ist in dem Kompressorkopf 27 vorgesehen, der in Verbindung mit einer Auslaßgalerie 63 steht, die in Verbindung mit dem kreisförmigen Durchgangsweg 64 steht, der über dem zweiten Ringventil 57 zwischen der Wand der oberen Fläche des Kompressorventilkörpers 26 und dem Ventilhalter 59 ausgebildet ist.
Mit Bezugnahme auf die Figuren 8 bis 10 kann die Funktionsweise des verbesserten Ringventilluftkompressors gesehen werden. Für die Einfachheit der Darstellung wurden das Spiel oder die Abstände zwischen den Ringventilen und dem Kompressorventilkörper oder Ventilhalter von diesen Figuren weggelassen. Figur 8 zeigt den Kompressor 20 mit dem Kolben 22 an dem oberen Hubende gerade beim Beginn des Ansaugtaktes des Kompressors. Der Abwärtshub des Kolbens 22 bewirkt genügend Sog, um das Ringventil 50 abwärts in eine konische Gestalt zu verformen und für eine Öffnung zwischen dem Ringventil 50 und der inneren kreisförmigen Rille 47 zu sorgen, wodurch Luft oder Fluid treten kann. Dadurch kann sich Luft in den Einlaß 45 begeben und an dem Ringventil vorbei in die Kompressionskammer 40 eindringen. Weil das zweite Ringventil 57 an der oberen Fläche des Kompressorventilkörpers 26 ist, zwingt der Sog gegen das zweite Ringventil 57 dieses gerade zusätzlich gegen die zweite innere kreisförmige Rille 55 und die zweite äußere kreisförmige Rille 56 und hält das zweite Ringventil oder Ausstoßventil 57 abgedichtet. Wenn sich der Kolben 22 weiter abwärts zu dem Hubende bewegt, wird die Kompressionskammer 40 vollständig mit Luft gefüllt.
In Figur 9 beginnt der Kolben 22 (in dieser Ansicht nicht gezeigt) gerade seinen Aufwärtshub. Das bewirkt eine ausreichende Verschiebung der Luft in der Kompressionskammer 40, um das Einlaßventil 50 aufwärts zu bewegen und sich gegen die innere kreisförmige Rille 47 zu setzen, wobei Luft daran gehindert wird, durch den Einlaß 45 wieder zu entweichen. Die Luft wird weiter komprimiert, bis, wie in Figur 10 gezeigt ist, die Luft einen ausreichenden Druck erreicht, um das Ausstoßventil 57 zu öffnen. Sowohl die Abmessungen des ersten und zweiten Ringventils als auch die Materialien, aus denen sie hergestellt werden, werden sorgfältig in Abhängigkeit von der Anwendung ausgewählt, um eine geeignete Beziehung zwischen dem Öffnen des Einlaß- oder Ringventils 50 und dem Öffnen des zweiten Ringventils oder Ausstoßventils 57 zu gewährleisten. Gerade wenn sie aus den gleichen Materialien gemacht sind, muß, weil das zweite Ringventil 57 der Luft eine wesentlich kleinere Angriffsfläche bietet, die Luft verglichen mit dem nur leichten Sog, der benötigt wird, um das Ringventil 50 zu öffnen, auf einen viel höheren Druck komprimiert werden, damit sich das zweite Ringventil 57 öffnet. Wenn sich das zweite Ringventil 57 einmal geöffnet hat, kann die Luft frei aus der Kompressionskammer 40 durch den kreisförmigen Durchgangsweg 64 und aus der Galerie 63 zu dem Kompressorausgang 62 treten (siehe Figur 2).
Figuren 5 und 8 bis 10 zeigen das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Ringventilhalters 59, während die Figuren 6 und 7 eine Modifikation davon und Figuren 11 und 12 zusammengenommen eine weitere Modifikation des Ringventilhalters 59 zeigen.
Das in Figur 8 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel des Ventilhalters 59 weist einen ringförmig gestalteten flachen Abschnitt 68 auf, dessen radiale Abmessung im wesentlichen identisch zu der zweiten inneren kreisförmigen Rille 55 ist, um die innere Randfläche des Ringventils 57 auf die vorher beschriebene Weise zu halten. Die Ausgewogenheit der unteren Fläche des Ringventilhalters 59 bietet eine sich verjüngende Fläche 69, die es zuläßt, daß sich das Ringventil in die Gestalt von einem Konus bei Anwendung von Luftdruck verformt.
Die Modifikation des in den Figuren 6 und 7 und weiterhin mit dem Bezugszeichen 59 bezeichneten Ventilhalters weist eine Aussparung 60 auf, die identisch zu der aller anderen Versionen des Ventilhalters ist. Er weist aber anstatt einer sich vollständig verjüngenden Fläche eine sich in radialer Richtung erstreckende Ebene 65 auf, die an der unteren Fläche über einen Durchmesser davon vorgesehen ist, wobei der Rest der unteren Fläche 66 dann mehr oder weniger V-förmig ausgebildet ist, wie in Figur 7 gezeigt ist, so daß sich das Ringventil 57 anstatt in einen Konus in ein "V" verformt, wenn Luftdruck darauf angewendet wird.
Die in den Figuren 11 und 12 gezeigte Modifikation weist anstatt der ebenen Fläche 65 und der "V"-förmigen Fläche 66 eine innere ringförmige ebene Fläche 70 und eine äußere ringförmige Fläche 71 auf. Der Unterschied in der Abmessung zwischen der inneren ringförmig gestalteten Ebene 70 und der äußeren ringförmigen Fläche 71 ist derart, daß sich das Ringventil 57 immer noch in eine Gestalt von einem Konus verformt, wenn Druck darauf angewendet wird, aber in diesem Fall gestattet die Aussparung 72 eine Druckentlastung.
Damit der verbesserte Luftkompressor vom Ringventiltyp, der in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, bei einem solchen Luftkompressorentlastungssystem verwendet werden kann, wie dem, das in der US-A-4,993,922, die am 19. Februar 1991 mit dem Titel "Air Compressor Unloader System" erschienen ist und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, offenbart ist, wird eine Entlastungsvorrichtung, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, für das Einlaßventil eines Kompressors zur Verfügung gestellt, der die vorliegende Erfindung verkörpert.
Mit Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 ist das Entlastungsventil 75 aus einem Lufteinlaßkrümmer 78 mit einer Einlaßöffnung 78A und einer Zentralöffnung 78B konstruiert. Luft tritt durch den Einlaß 76, die Zentralöffnung 78B und die Einlaßöffnung 78A in den Einlaß des Kompressors, wenn der obere Hut 83 offen ist. An dem Einlaßkrümmer 78 ist ein Entlastungsventilkörper 80 befestigt, der abdichtend mit dem Einlaßkrümmer 78 durch die O-Ring-Dichtung 90 verbunden ist. Im Zentrum des Entlastungsventilkörpers 80 ist ein Einlaß 77 für Druckluft vorgesehen, der mit der Zentralbohrung 81 in Verbindung steht. In der Bohrung 81 ist der obere Hut 83 durch die rechtwinklige Dichtung 82 dichtend angebracht.
Wenn der Kompressor in seinem unbelastetem Takt arbeitet, tritt Druckluft von dem Entlastungskreis in den Einlaß 77 für Druckluft und wirkt auf das Oberteil des oberen Hutes 83, wobei er in eine abwärtige Richtung gegen die Feder 84 gezwungen wird, um das Abriegeln der Zentralöffnung 78B und somit das Abriegeln des Einlaßventils des Luftkompressors zu bewirken. Mittels im Stand der Technik wohlbekannten Vorrichtungen wird, wenn es erwünscht ist, daß der Luftkompressor noch einmal pumpt, der Druck von dem Einlaß 77 freigegeben, wodurch der obere Hut 83 durch die Feder 84 in eine Aufwärtsrichtung gezwungen wird und noch einmal der Weg zwischen dem Einlaß 76 und dem Einlaß des Kompressors frei gemacht wird.
Mit Bezugnahme auf die Figuren 13 bis 16 wird, wie vorher erwähnt wurde, bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Einlaßventil 50 nicht fest zwischen dem ersten Paar von gegenüberliegenden ringförmigen Flächen gehalten, die durch die äußere kreisförmige Rille 49 und die Ventilkörperdichtung 31 gebildet werden, sondern es wird stattdessen mit einem kleinen Spiel ausgestattet, das mit C2 bezeichnet wird. Figur 13 zeigt den Kolben 22, während er das obere Hubende des Kompressionstaktes erreicht, während das Ausstoßventil 57 gegen die verjüngte Fläche 69 des Ventilhalters 59 gepreßt wird. Das Einlaßventil 50 wird nach oben gegen die innere kreisförmige Rille 47 und die äußere kreisförmige Rille 49 gepreßt. Bei dieser Stellung gibt es das Spiel C2 zwischen der Unterseite des Einlaßventils 50 und dem Oberteil der Ventilkörperdichtung 31. Bei einem typischen Aufbau wird das Einlaßventil 0,38 mm (0.015") dick und das Spiel C2 beträgt 0,076 mm (0.003").
Mit Bezugnahme auf Figur 14 wird, wenn der Kolben 22 mit seiner Abwärtsbewegung beginnt, das Einlaßventil 50 anfänglich mit einer sehr kleinen Kraft für die Strecke C2 des Spiels abwärts verschoben werden. Zu diesem Zeitpunkt wird es keine Deformation des Ventils geben und die erforderliche Kraft ist sehr klein. Das ist die erste Stufe von drei Stufen an Verbiegung, die das Einlaßventil durchmacht.
Mit Bezugnahme auf Figur 15 kann man sehen, daß das Einlaßventil bei weiterer Abwärtsbewegung des Kolbens 22 beginnen wird, sich um den oberen inneren Rand A der Ventilkörperdichtung 31 zu drehen, während das Ventil eine Verformung in die Gestalt von einem Konus durchmacht. Wie in Figur 16 angedeutet, ist eine sehr kleine Kraft während der ersten Stufe an Biegung erforderlich, um das Ventil über die Strecke C2 zu verschieben und in Kontakt mit dem Rand A zu bringen. Wenn das Ventil jedoch einmal den Rand A erreicht hat, beginnt es, sich in die Gestalt von einem Konus zu verformen, und während dieser zweiten Stufe an Biegung kommt eine Federkonstante zur Wirkung. Weil es kein Stützglied gibt, um die Biegung zu begrenzen, fährt es fort, bis das äußere Ende des Ringventils 50 mit dem äußeren Rand B der äußeren kreisförmigen Rille 49 in Kontakt kommt. Dadurch kommt während der dritten Stufe an Biegung des Ringventils 50, die durch die Phantomlinien dargestellt ist, eine zweite Federkonstante zur Wirkung. Das Anfangsspiel, das in der ersten Stufe der Biegung zur Verfügung gestellt wird, erlaubt eine sehr schnelle Öffnung des Einlaßventils. Die zweite und dritte Stufe der Biegung, die den Drehpunkt der Biegung an dem Punkt A aufweist, sorgen nicht nur für eine sehr effiziente Funktionsweise des Einlaßventils, sondern verhindern Kraft der Reibung zwischen dem Ringventil 50 und dem Rand A und/oder B die Drehung um seine eigene Achse und lösen die im Stand der Technik auftretenden Probleme.
Mit erneuter Bezugnahme auf Figur 14 wird das Auslaßventil 57 in seiner untersten Stellung gezeigt, wobei es an der zweiten inneren kreisförmigen Rille 55 und der zweiten äußeren kreisförmigen Rille 56 liegt, die, wie in Figur 13 gezeigt ist, einen Abstand X von dem Boden des Kompressorventilkörpers 26 aufweist.
Wenn sich der Kolben dem Ende von seinem Kompressionstakt nähert, hat, wie in Figur 13 gezeigt ist, das Ausstoßventil zwei Stufen an Biegung durchgemacht, wobei es sich zunächst gerade bis zu einer Entfernung Y von der Unterseite des Kompressorventilkörpers 26 bewegt, was sich ereignet, wenn der innere Umfangsrand des Ausstoßventils 57 auf den ebenen Abschnitt 68 des Ventilhalters 59 trifft. Der Abstand Y-X gleicht dem Spiel C1, für das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gesorgt ist. Bei einem typischen Aufbau ist das Ausstoßventil 0,46 mm (0.018") dick und das Spiel C1 hat 0,18 mm (0.007") Nennabstand. Es ist zu verstehen, daß das Spiel C1 für das Ausstoßventil und das Spiel C2 für das Einlaßventil in Abhängigkeit von der Anwendung, auf die die Erfindung angewendet wird, variieren können.
Im Gegensatz zu der unbeschränkten Biegung des Einlaßventils, ist es wichtig, daß die Öffnung des Auslaßventils so beschränkt ist, daß irgendeine Rückströmung durch das Auslaßventil sofort gestoppt wird, um den volumetrischen Wirkungsgrad des Kompressors zu verbessern. Das ist besonders wichtig, wenn der Kompressor bei turboladenden Anwendungen verwendet wird, wo der Druck an dem Einlaß größer als Atmosphärendruck ist. Um das zu erreichen, wird der Weg des Auslaßventils 57 auf eine Strecke Z beschränkt, die erreicht wird, wenn sich das Ventil ausreichend in die Gestalt von einem Konus verformt hat, um auf die verjüngte Fläche 69 des Ventilhalters 59 zu treffen. Das Anfangsspiel C1 läßt zu, daß sich das Ausstoßventil sehr schnell öffnet, während die beschränkt zugelassene Biegung die Rückströmung unmittelbar stoppt und den volumetrischen Wirkungsgrad des Kompressors verbessert. Diese Zweistufenbiegung wird in Figur 16 durch die mit Ausstoß bezeichnete Kurve gezeigt. Punkt A an der Kurve bezeichnet wie vorher die kleine Kraft, die erforderlich für die Anfangsbiegung ist.
Es ist für die Fachleute leicht zu verstehen, daß die Dicke des Einlaß- und Ausstoßventils, deren Steifigkeit und die Abmessungen der Ventile selbst ebenso wie die verschiedenen Abmessungen des Kompressors oder der Fluidpumpe in weitem Maß variiert werden können und man immer noch in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegt. Ebenso kann das Material, aus dem die Ringventile gemacht werden, in weitern Maß variiert werden und man wird immer noch in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Ringventile aus Stahl gefertigt, und das Einlaßventil dreht sich (hat seinen Drehpunkt) bei Rand A an einer mit Gummi bedeckten Ventilkörperdichtung.
Somit wurde durch sorgfältige Analyse der bei herkömmlichen Luftkompressor bestehenden Probleme ein neuer verbesserter Luftkompressor der Ringventilart bereitgestellt, der lange bestehende Probleme im Stand der Technik löst.
Während die Erfindung in den Zeichnungen der vorangehenden Beschreibung im Detail dargestellt und beschrieben worden ist, ist das als beschreibend und nicht mit beschränkendem Charakter zu verstehen, wobei zu verstehen ist, daß nur das bevorzugte Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurde, und daß alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche liegen, geschützt sein sollen.

Claims

1. Ringventilanordnung zur Verwendung bei einer Fluidpumpe (20) der hin- und hergehenden Art mit einem Kolbenzylinder (21) und einem Zylinderkopf (25), wobei die Ventilanordnung ein Ringventil (50, 57) enthält, das eine Fluiddichtfläche zum selektiven Schließen eines Fluiddurchlasses (46) des Zylinderkopfs (25) aufweist; gegenüberliegenden ringförmigen Flächen (31 und 49, 55 und 68), wozwischen ein ringförmiges peripheres Randteilstück des Ringventils (50, 52) angeordnet ist, wobei die eine (31, 68) dieser ringförmigen Flächen (31 und 49, 55 und 68) einen Rand (A) bildet, der einen Drehpunkt bestimmt, um den sich das Ringventil (50, 52) drehen kann und in die Gestalt von einem Konus verformt werden kann, wobei das Ringventil (50, 52) eine erste und zweite Stufe an Bewegung und Biegung während dem Betrieb durchmacht, wobei das Ringventil (50, 52) verstellt wird, um die Fluidpassage (49) zu öffnen, und in der ersten Stufe gegen den Rand (A) verstellt und in der zweiten Stufe der Biegung in die Gestalt von einem Konus um den Drehpunkt (A) verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige periphere Randteilstück des Ringventils (50, 52) physisch zwischen die gegenüberliegenden ringförmigen Flächen (31 und 49, 55 und 68) mit einem bestimmten kleinen Spiel (C2) gezwungen wird, das derart ist, daß der anderen (49) der ringförmigen Flächen (31 und 49, 55 und 68) durch das Ringventil (50, 52) entgegengewirkt werden kann, während es in die Gestalt von einem Konus verformt wird, um dadurch die tatsächliche Steifigkeit und den Abschnitt freien Flusses des Ringventils (50, 52) zu vergrößern.

2. Ringventilanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige periphere Randteilstück des Ringventils (50) das radial äußere periphere Randteilstück ist.

3. Ringventilanordnung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringventil (50) ein Einlaßventil ist.

4. Ringventilanordnung gemäß Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, die ein zweites Ringventil (57) und eine Feststellvorrichtung (59, 115) mit einem Drehpunktrand (A, 115a) und einer verjüngten Fläche (69, 115b) aufweist, die dem zweiten Ringventil (57) gegenüberliegt, wobei die Feststellvorrichtung (59, 115) zu der Seite des zweiten Ringventils (57) weist, wogegen das letztere durch die zugehörige Vorspannvorrichtung gedrängt wird.

5. Ventilanordnung und hin- und hergehende Fluidpumpe (20) mit einem Kolbenzylinder (21) und einem Zylinderkopf (25), der an dem Kolbenzylinder (21) befestigt ist, definierend eine Fluidkammer (40), wobei die Ventilanordnung aufweist:

a) ein erstes Ringventil (50) mit einer Dichtfläche auf einer Seite davon, die zu dem Zylinderkopf (25) benachbart angeordnet ist, um selektiv eine Sitzvorrichtung (47 und 49) an dem Zylinderkopf (25) in Eingriff zu nehmen und mindestens einen Fluiddurchlaß (46) durch den Zylinderkopf (25) zu schließen; und

b) ringförmige Flächen (31 und 49), wozwischen ein ringförmiges peripheres Randteilstück des ersten Ringventils (50) angeordnet ist, wobei die eine (31) der ringförmigen Flächen (31 und 49), gegen die sich das erste Ringventil (50) bewegt, wenn es nicht sitzend einen Rand (A) bildet, der einen Drehpunkt bestimmt, um den sich das erste Ringventil (50) drehen und in die Gestalt von einem Konus verformt werden kann, wodurch das erste Ringventil (50) mindestens zwei Stufen an Bewegung und Verformung während dem Betrieb durchmachen wird, wobei das erste Ringventil (50) verstellt wird, um den Fluiddurchlaß (46) zu öffnen, und in einer ersten Stufe gegen den Rand (A) verstellt und in einer zweiten Stufe der Biegung in die Gestalt von einem Konus um den Drehpunkt (A) verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige periphere Randteilstück des ersten Ringventils (50) physisch zwischen die gegenüberliegenden ringförmigen Flächen (31 und 49) mit einem bestimmten kleinen Spiel (C2) gedrängt wird, das derart ist, daß der anderen (49) der ringförmigen Flächen (31 und 49) durch das erste Ringventil (50) entgegengewirkt werden kann, während es in die Gestalt von einem Konus verformt wird, um dadurch die tatsächliche Steifigkeit und den Abschnitt freien Flusses des ersten Ringventils (50) zu vergrößern.

6. Gaskompressor (20) mit einem Kolbenzylinder (21) und einem Zylinderkopf (25), der an dem Kolbenzylinder (21) befestigt ist, definierend eine Kompressionskammer (40), wobei der Gaskompressor (20) desweiteren aufweist:

a) ein Einlaßventil (50) mit einer Dichtfläche auf einer Seite davon, die zu dem Zylinderkopf (25) benachbart angeordnet ist, um selektiv eine Sitzvorrichtung (47 und 49) an dem Zylinderkopf (25) in Eingriff zu nehmen und mindestens einen Fluiddurchlaß (46) durch den Zylinderkopf (25) zu schließen; und

b) eine Vorspannvorrichtung, um das Einlaßventil (50) gegen die Sitzvorrichtung (47 und 49) an dem Zylinderkopf (25) abdichten zu können, wobei die Vorspannvorrichtung ein peripheres Randteilstück des Einlaßventils (50) enthält, das zwischen gegenüberliegenden ringförmigen Flächen (31 und 49) mit einem bestimmten kleinen Spiel angeordnet ist, wodurch das Einlaßventil (50) während des Einlaßtaktes des Gaskompressors (20) eine Biegung durchmachen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige periphere Randteilstück des Einlaßventils (50) physisch zwischen die gegenüberliegenden ringförmigen Flächen (31 und 49) mit einen bestimmten kleinen Spiel (C2) gedrängt wird, das derart ist, daß der anderen (49) der ringförmigen Flächen (31 und 49) durch das Einlaßventil (50) entgegengewirkt werden kann, während es in die Gestalt von einem Konus verformt wird, um dadurch die tatsächliche Steifigkeit des ersten Ringventils (50) zu erhöhen.

7. Gaskompressor (20) gemäß Anspruch 6, der desweiteren ein Auslaßringventil (57) mit einer Fluiddichtfläche zum selektiven Schließen eines Auslaßfluiddurchlasses (64) und eine Vorspannvorrichtung aufweist, um das Auslaßringventil (57) in eine zweite Richtung zu drängen, damit es aus dem Sitz kommt und der Auslaß fluiddurchlaß (64) geöffnet wird, wobei die Vorspannvorrichtung gegenüberliegende ringförmige Flächen (55, 68 und 69) enthält, wozwischen ein ringförmiger peripherer Bereich des Auslaßventils (57) physisch gedrängt wird, wodurch sich das Auslaßventil (57) in eine konische Gestalt verformt, wenn es öffnet, wobei eine Feststellvorrichtung (59) an der Seite des Auslaßringventils (57) vorgesehen ist, wogegen es in die zweite Richtung durch die Vorspannvorrichtung gedrangt wird, wobei die Feststelleinrichtung eine sich verjüngende Fläche (69) aufweist, die dem Auslaßringventil (57) gegenüberliegt, das als eine Stopfläche dient, um die Biegung des Auslaßringventils (57) in die Gestalt von einem Konus zu begrenzen.

8. Gaskompressor (20) gemäßanspruch7, dadurchgekennzeichnet, daß der ringförmige periphere Bereich des Auslaßringventils (57) physisch zwischen die gegenüberliegenden ringförmigen Flächen (55, 68 und 69) mit einem bestimmten kleinen Spiel gedrängt wird.

9. Gaskompressor (20) gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige periphere Bereich des Auslaßringventils (57) das radial innere periphere Randteilstück ist.