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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Hubkolben-Kältemittelverdichter,
der dahingehend verbessert ist, dass die Leckage eines verdichteten
Kältemittels
aus den Zylinderbohrungen, in denen die Kompression des Kältemittels
durch die Hin- und Herbewegung der Kolben durchgeführt wird,
verhindert wird. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung
eine verbesserte innere Dichtungseinheit, welche zwischen einem
Ende eines Zylinderblocks und einer Ventilplattenanordnung eines
Hubkolben-Kältemittelverdichters
zwischengeschaltet ist zum dichten Abschließen der Peripherie einer jeden von
mehreren Zylinderbohrungen, in denen entsprechende Kolben hin- und
herbewegt werden, um ein Kältemittel
aus einer Saugkammer anzusaugen, das Kältemittel zu verdichten und
das verdichtete Kältemittel
in eine Ausstoßkammer
auszustoßen.
Der Hubkolben-Kältemittelverdichter
gemäß vorliegender Erfindung
ist dazu gedacht, als Kältemittelverdichter verwendet
zu werden, der in ein Fahrzeugklimatisierungssystem inkorporiert
ist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In
dem US-Patent Nr. 4 688 997 (Suzuki et al.) ist einer der typischen
Hubkolben-Kältemittelverdichter
offenbart, welche zur Verwendung in einem Fahrzeugklimatisierungssystem
ausgebildet sind. Der Hubkolben-Kältemittelver dichter umfasst
einen Zylinderblock, in dem eine Mehrzahl von parallelen Zylinderbohrungen
gebildet sind, welche um eine Rotationsachse einer Antriebswelle
angeordnet sind, die von dem Zylinderblock und einer Gehäuseanordnung,
welche die einander gegenüberliegenden
Enden des Zylinderblocks abschließt, drehbar gehalten ist, eine
Ventilplatte, in die eine Mehrzahl von Saugöffnungen und eine Mehrzahl
von Ausstoßöffnungen gebohrt
sind, welche so angeordnet sind, dass sie in die entsprechenden
Zylinderbohrungen münden, eine
Saugkammer, eine Ausstoßkammer
und eine Kurbelkammer, welche in der Gehäuseanordnung definiert sind,
ein Saugventil, welches zwischen einem Ende des Zylinderblocks und
der Ventilplatte zwischengeschaltet ist, ein Ausstoßventil,
welches zwischen der Ventilplatte und der Gehäuseanordnung zwischengeschaltet
ist, und eine Mehrzahl von einfachwirkenden Kolben, welche in den
Zylinderbohrungen hin- und herbewegt werden, um ein aus der Saugkammer
angesaugtes Kältemittel
zu verdichten und das verdichtete Kältemittel in die Ausstoßkammer
auszustoßen.
Im Einzelnen wird bei dem Hubkolben-Kältemittelverdichter die Hin-
und Herbewegung der Mehrzahl von Kolben in den Zylinderbohrungen
durchgeführt
als Antwort auf die Rotation einer Kurvenscheibe und der Antriebswelle
innerhalb der Kurbelkammer und dementsprechend wird das Niederdruck-/Niedertemperatur-Kältemittel, welches
von einem externen Kältemittelkreislauf
in die Saugkammer eingetreten ist, über die Saugöffnungen
in die entsprechenden Zylinderbohrungen gesaugt, um durch die Kolben
in den Kompressionskammern, welche in den entsprechenden Zylinderbohrungen
gebildet sind, verdichtet zu werden. Das komprimierte Kältemittel
wird als Hochtemperatur-/Hochdruck-Kältemittelgas durch die Kolben
aus den Kompressionskammern über
die Ausstoßöffnungen
in die Ausstoßkammer
ausgestoßen.
Das komprimierte Kältemittel
wird ferner von der Ausstoßkammer
in den externen Kältemittelkreislauf
des Klimatisierungssystems abgegeben.
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Wenn
das Kältemittel
durch die Kolben innerhalb der Kompressionskammern in den entsprechenden
Zylinderbohrungen komprimiert wird, sollte das Hochdruckkältemittel
aus den Kompressionskammern nur in die Ausstoßkammer ausgestoßen werden
und verhindert werden, dass das Kältemittel über einen Endflächenbereich
des Zylinderblocks, der die jeweiligen Zylinderbohrungen umgibt,
in einen Saugdruckbereich oder zur Außenseite des Verdichters leckt.
Die Leckage des komprimierten Kältemittels vermindert
die Menge an komprimiertem Kältemittel, welche
zur Verwendung in dem Klimatisierungssystem zur Verfügung steht,
wodurch die Verdichtungsleistung des Kältemittelverdichters vermindert
wird. Das Ende des Zylinderblocks muss also geeignet abgedichtet
sein.
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Aus
der US-A-4 226 572 ist ein Verdichter bekannt geworden, welcher
eine Dichtungseinheit umfasst, die zwischen einer Ventilplatte und
einem Gehäuseteil
des Verdichters angeordnet ist. Die Dichtungseinheit ist aus einer
dünnen
Stahlplatte hergestellt, die auf beiden Seiten mit einem elastischen
Film, z.B. einem Gummifilm, überzogen
ist. Die Stahlplatte umfasst drei ringförmige Bereiche, die als hermetische
Abdichtungen zu entsprechenden Grenzbereichen einer Hochdruckkammer,
einer Niederdruckkammer und einer Ölvorratskammer des Gehäuseteils
dienen.
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Die
U5-A-4 011 029 offenbart einen Verdichter, umfassend ein saugseitiges
Zungenventilmittel, welches zwischen einer Ventilplatte und einem
Zylinderblock angeordnet ist und aus einem zentralen Bereich und
mehreren, radial von demselben hervorragenden Zungen besteht. Der
Verdichter umfasst ferner eine Dichtung, die zwischen dem Zylinderblock auf
der einen Seite und der Ventilplatte und dem zentralen Bereich des
saugseitigen Zungenventilmittels auf der anderen Seite eingefügt ist.
Zwischen der peripheren Endfläche
des zentralen Bereichs des saugseitigen Zungenventilmittels und
der Dichtung ist ein Spalt vorhanden. Der Spalt stellt eine Verbindung zwischen
benachbarten Zylinderbohrungen her. Ein Teil des verdichteten Kältemittels
kann also aus einer Zylinderbohrung in benachbarte Zylinderbohrung
lecken.
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Die
Abdichtung des Zylinderblockendes, insbesondere des die jeweiligen
Zylinderbohrungen des Zylinderblocks umgebenden Endflächenbereichs, um
die Leckage des komprimierten Kältemittels
zu verhindern, ist besonders wichtig bei Hubkolben-Kältemittelverdichtern,
die in einem Kältesystem
mit superkritischem Zyklus verwendet werden, wobei ein geschlossener
Kältemittelzirkulationspfad
desselben einen Hochdruckpfad umfasst, durch den das Kältemittel unter
hohem Ausstoßdruck,
im Besonderen unter superkritischem Druck, strömt.
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Bei
dem in das Kältesystem
mit superkritischem Zyklus inkorporierten Kältemittelverdichter wird das
Kältemittelgas
auf einen Druck komprimiert, der weit über einem dem Kältemittel
eigenen kritischen Druck liegt. Wenn beispielsweise Kohlendioxid,
dessen kritischer Druck bei 7,35 MPa liegt, als Kältemittel
verwendet wird, komprimiert der Verdichter das Kältemittel auf ca. 10 MPa.
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Wenn
demgegenüber
ein Fluorkohlenwasserstoffgas als Kältemittel verwendet wird und
der Kältemittelverdichter
in ein Kältesystem
inkorporiert ist, welches unter einer Bedingung arbeitet, derart, dass
ein Ausstoßdruck
und ein Saugdruck des Kältemittels
stets unter einem kritischen Druck des Kältemittels gehalten werden
(diese Art von Kältesystem wird
im Folgenden als Kältesystem
mit subkritischem Zyklus bezeichnet), dann beträgt der Ausstoßdruck des
aus den Kompressionskammern des Verdichters ausgestoßenen Kältemittels
ca. 1 bis 3 MPa.
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Es
versteht sich also, dass der Ausstoßdruck des Verdichters, der
in das Kältesystem
mit superkritischem Zyklus inkorporiert ist, viel höher ist
als der des Verdichters, der in das Kältesystem mit subkritischem
Zyklus inkorporiert ist. Dementsprechend ist das Abdichten des Endflächenbereichs
des Zylinderblocks um die jeweiligen Zylinderbohrungen herum sehr
kritisch für
den Hubkolben-Kältemittelverdichter, der
in Verbindung mit dem Kältesystem
mit superkritischem Zyklus verwendet wird, um eine Leckage des komprimierten
Kältemittels
aus den Zylinderbohrungen in die Saugdruckregion des Verdichters
oder zur Außenseite
des Verdichters über
eine Grenze zwischen dem Endflächenbereich
des Zylinderblocks um die Zylinderbohrungen herum und der gegenüberliegenden
Fläche
der Ventilplatte zu vermeiden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines
Hubkolben-Kältemittelverdichters
mit einer Dichtungseinheit, die dazu in der Lage ist, eine Leckage
des Hochdruckkältemittels
aus entsprechenden Zylinderbohrungen in eine unerwünschte Region
im Inneren oder an der Außenseite
des Verdichters sicher zu verhindern.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Dichtungseinheit, welche geeignet ist zum Abdichten einer
Endfläche eines
Zylinderblocks in einem Bereich, der die Bohrungsenden der Zylinderbohrungen
eines Hubkolben-Kältemittelverdichters
umgibt, welcher dazu verwendet wird, ein Kältemittel auf einen Druck zu
verdichten, der weit über
einem kritischen Druck des Kältemittels
liegt, und zum Verhindern einer Leckage des verdichteten Kältemittels
aus den Zylinderbohrungen in eine unerwünschte Region im Inneren oder an
der Außenseite
des Verdichters, z.B. in den Saugdruckbereich oder zur Außenseite
des Verdichters, um dadurch eine Verminderung der Verdichtungsleistung
des Verdichters zu verhindern.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung
eines Hubkolben-Kältemittelverdichters,
der mit einer Dichtungseinheit versehen ist, so dass der Verdichter
Kohlendioxid als Kältemittel
verwenden und in Verbindung mit einem Kältesystem mit superkritischem
Zyklus eingesetzt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Hubkolben-Kältemittelverdichter
bereitgestellt, welcher umfasst:
einen Zylinderblock mit einer
Mehrzahl von darin gebildeten Zylinderbohrungen, welche so angeordnet sind,
dass sie parallel zueinander um eine Achse liegen, die sich zwischen
einander gegenüberliegenden Enden
des Zylinderblocks erstreckt;
eine Ventilplatte, welche benachbart
zu dem Zylinderblock angeordnet ist und in die eine Mehrzahl von Saugöffnungen
und eine Mehrzahl von Ausstoßöffnungen
gebohrt sind, die entsprechend positioniert sind, so dass sie mit
den Zylinderbohrungen in Übereinstimmung
sind;
eine Gehäuseanordnung,
die an den Zylinderblock montiert ist, um die einander gegenüberliegenden Enden
des Zylinderblocks zu schließen,
und die eine Saugkammer, eine Ausstoßkammer und eine Kurbelkammer
definiert;
ein zwischen einem der einander gegenüberliegenden
Enden des Zylinderblocks und der Ventilplatte zwischengeschaltetes
Saugventil;
ein zwischen der Ventilplatte und einem Ende der Gehäuseanordnung
zwischengeschaltetes Ausstoßventil;
eine
Mehrzahl von Kolben, welche hin- und herbeweglich in der Mehrzahl
von Zylinderbohrungen angeordnet sind für die Kompression eines aus
der Saugkammer angesaugten Kältemittels
und für
den Ausstoß des
komprimierten Kältemittels
in die Ausstoßkammer;
eine
Dichtungseinheit, welche in der Grenze zwischen einem der einander
gegenüberliegenden
Enden des Zylinderblocks und dem Saugventil und/oder in der Grenze
zwischen dem Saugventil und der Ventilplatte gehalten ist, wobei
die Dichtungseinheit eine Mehrzahl von sich ringförmig erstreckenden
Dichtungsbereichen umfasst, welche mit einem ringförmigen Wulstbereich
versehen und so angeordnet sind, dass sie entsprechende Bohrungsenden
der Mehrzahl von Zylinderbohrungen umgeben.
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Dadurch,
dass die in der Grenze zwischen dem Ende des Zylinderblocks und
dem Saugventil oder in der Grenze zwischen dem Saugventil und der Ventilplatte
gehaltene Dichtungseinheit mit ihren jeweiligen, sich ringförmig erstreckenden
Dichtungsbereichen, welche die Bohrungsenden der Zylinderbohrungen
umgeben, einer Kompression unterworfen ist, um Druckkontakt mit
den gegenüberliegenden
Flächen
aufrechtzuerhalten, sind die jeweiligen Bohrungsenden der Zylinderbohrungen
dicht abgeschlossen, um so sicherzustellen, dass das gesamte verdichtete
Hochdruckkältemittel
aus jeder Zylinderbohrung in die Ausstoßkammer ausgestoßen wird, ohne
dass Leckage auftritt. Dementsprechend kann eine Verminderung der
Verdichtungsleistung des Hubkolben-Kältemittelverdichters
infolge Leckage des komprimierten Kältemittels über die Bohrungsenden der Mehrzahl
von Zylinderbohrungen sicher verhindert werden.
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Bevorzugt
umfasst die Dichtungseinheit eine metallische Basisplatte mit einander
gegenüberliegenden
Seiten und ein Dichtungselement, gebildet von elastischen Gummimembranen,
welche an den einander gegenüberliegenden
Seiten der metallischen Basisplatte befestigt sind, wobei die metallische
Basisplatte eine Mehrzahl von sich ringförmig erstreckenden konvex-konkaven
Bereichen in der Form des entsprechenden ringförmigen Wulstbereichs aufweist, welche
die Mehrzahl von sich ringförmig
erstreckenden Dichtungsbereichen bilden.
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Alternativ
kann die Dichtungseinheit eine Mehrzahl von O-Ringelementen umfassen,
welche um jedes der entsprechenden Bohrungsenden der Mehrzahl von
Zylinderbohrungen angeordnet sind.
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Der
im Vorstehenden beschriebene Hubkolben-Kältemittelverdichter gemäß vorliegender
Erfindung kann das Kältemittel
ausstoßen,
indem er es auf einen superkritischen Druck verdichtet. In diesem Fall
kann das Kältemittel
von Kohlendioxid gebildet sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
obengenannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung;
in der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Hubkolben-Kältemittelverdichter gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in dem eine verbesserte Dichtungseinheit
montiert ist;
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2 eine
vergrößerte, teilweise
im Querschnitt ausgeführte
Darstellung des Verdichters nach 1, welche
eine Anordnung der Dichtungseinheit um eines der Bohrungsenden der
Zylinderbohrungen zeigt;
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3 eine
Draufsicht auf die in den Verdichter gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung inkorporierte Dichtungseinheit;
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4 eine
querschnittliche Darstellung entlang der Linie IV-IV von 3,
welche die Konstruktion der Dichtung zeigt;
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5 eine
Darstellung ähnlich 2,
jedoch mit einer Dichtungseinheit, welche in einen Kältemittelverdichter
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung inkorporiert ist;
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6 eine
Darstellung ähnlich 2,
jedoch mit einer Dichtungseinheit, welche in einen Kältemittelverdichter
gemäß einer
dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung inkorporiert ist; und
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7 eine
Darstellung ähnlich 2,
jedoch mit einer Dichtungseinheit, welche in einem Kältemittelverdichter
gemäß einer
vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung inkorporiert ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Die erste Ausführungsform)
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen, gemäß welcher
ein Hubkolben-Kältemittelverdichter 1 dazu
ausgebildet ist, in ein Kältesystem
eines Fahrzeugklimatisierungssystems inkorporiert zu werden, insbesondere
in ein Kältesystem
mit superkritischem Zyklus eines Fahrzeugklimatisierungssystems.
Im Einzelnen ist das Kältesystem
mit superkritischem Zyklus so konstruiert, dass es den Kältemittelverdichter 1,
einen (nicht gezeigten) Gaskühler,
der als Wärmestrahlungs-Wärmetauscher
fungiert, ein (nicht gezeigtes) Expansionsventil, welches als Gasdrosselungsmittel
fungiert, einen Verdampfer, der als Wärmeabsorptions-Wärmetauscher
fungiert, und einen Sammler, der als Flüssig/Gas-Abscheider fungiert, umfasst,
die in Reihe miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen
Fluidkreislauf zu bilden. Das Kältesystem
mit superkritischem Zyklus arbeitet so, dass der Ausstoßdruck des
von dem Kältemittelverdichter 1 abgegebenen
Kältemittels,
d.h. der auf einer Hochdruck-Kreislaufseite
des geschlossenen Fluidkreislaufs des Kältesystems vorherrschende Druck,
stets auf einem superkritischen Druck des Kältemittels gehalten wird, welches
den geschlossenen Fluidkreislauf durchströmt. Das für das beschriebene Kältesystem
mit superkritischem Zyklus verwendete Kältemittel ist bevorzugt Kohlendioxid (CO2). Das Kältemittel
kann alternativ Ethylen (C2H4), Diboran
(B2H6), Ethan (CH3CH3) und ein Stickstoffoxid
sein.
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Der
Hubkolben-Kältemittelverdichter 1 umfasst
einen Zylinderblock 10 mit einem axial vorderen und hinteren
Ende, die einander gegenüberliegen. Das vordere
Ende des Zylinderblocks 10 ist durch ein vorderes Gehäuse 11 geschlossen,
welches mit dem Zylinderblock 10 luftdicht verbunden ist.
Das hintere Ende des Zylinderblocks 10 ist durch ein hinteres
Gehäuse 13 über eine
Ventilplatte 12 geschlossen. Das hintere Gehäuse 13 ist
mit dem Zylinderblock 10 luftdicht verbunden. Das vordere
Gehäuse 11 und
der Zylinderblock 10 definieren hierzwischen eine Kurbelkammer 14,
in der sich eine Antriebswelle 15 axial erstreckt. Die
Antriebswelle 15 ist von dem vorderen Gehäuse 11 und
dem Zylinderblock 10 über
ein Paar Radiallager und eine Wellendichtungseinheit, angeordnet
benachbart zu einem äußersten
Ende der Antriebswelle 15, die sich durch einen zentralen
Vorsprungbereich des vorderen Gehäuses 11 erstreckt, drehbar
gehalten. Das äußere äußerste Ende
der Antriebswelle 15 ist mit einem Anker einer Magnetkupplung
(nicht gezeigt) verbindbar, um eine Antriebskraft von einer externen
Antriebskraftquelle zu empfangen. Das andere Ende der Antriebswelle 15 erstreckt sich
in eine zentrale Bohrung des Zylinderblocks 10 hinein,
wobei ein Drucklager und eine Tellerfeder (beide nicht gezeigt)
in der zentralen Bohrung zwischen diesem anderen Ende der Antriebswelle 15 und
der Ventilplatte 12 angeordnet sind. Der Zylinderblock 10 ist
mit mehreren (sechs) axialen Zylinderbohrungen 10a versehen,
welche um eine Rotationsachse der Antriebswelle 15 angeordnet
sind, zur gleitbeweglichen Aufnahme von einfachwirkenden Kolben 16.
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Ein
Rotorelement 18 ist an der Antriebswelle 15 in
einer Position benachbart zu einer inneren Endfläche des vorderen Gehäuses 11 innerhalb
der Kurbelkammer 14 angeordnet. Das Rotorelement 18 ist von
der inneren Endfläche
des vorderen Gehäuses 11 über ein
Drucklager axial gehalten und kann zusammen mit der Antriebswelle 15 rotieren.
Das Rotorelement 18 weist einen sich nach hinten erstreckenden
Bereich auf, der einen Gelenkmechanismus 19 bildet, durch
den das Rotorelement 18 mit einer drehbaren Taumelscheibe 20 verbunden
ist, die um die Antriebswelle 15 montiert ist. Daher kann
die Taumelscheibe 20 zusammen mit dem Rotorelement 18 rotieren.
Innerhalb der Kurbelkammer 14 ist ein Hülsenelement 21 gleitbeweglich
montiert und weist ein Paar von seitlichen Zapfen 21a, 21a auf,
um die die Taumelscheibe 20 drehbar so gehalten ist, dass
sie ihren Neigungswinkel verändern
kann. An der Taumelscheibe 20 ist über ein Drucklager 22 eine nicht-drehbare
Taumel platte 23 gehalten, wobei die Taumelplatte 23 in
ihrem unteren Bereich mit einem rotationsverhindernden Stift (nicht
gezeigt) gehalten ist, der axial gleitbeweglich in einem Führungsrücksprung 11a angeordnet
ist, der in einem unteren Bereich des vorderen Gehäuses 11 gebildet
ist. Somit kann die nichtdrehbare Taumelplatte 23 – auch bei rotierender
Taumelscheibe 20 – an
einer Rotation gehindert werden und wird nur um die Zapfen 21a, 21a drehen
gelassen. Die Taumelplatte 23 ist mit den einfachwirkenden
Kolben 16 über
Verbindungsstangen 24 operativ verbunden, und somit können die
jeweiligen Kolben 16 in den entsprechenden Zylinderbohrungen 10a mit
einem Hub hin und her bewegt werden, der bestimmt wird von einem
Neigungswinkel der Taumelplatte 23 bezüglich einer zu der Rotationsachse
der Antriebswelle 15 senkrechten Ebene.
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Eine
gewundene Feder 25 ist zwischen einem Ende des Hülsenelements 21 und
einem an der Antriebswelle 15 fest montierten Sicherungsring
in einer Position benachbart zu dem vorderen Ende des Zylinderblocks 10 angeordnet.
Die gewundene Feder 25 treibt die drehbare Taumelscheibe 20 ständig gegen
das Ende des Rotorelementes 18, so dass zu Beginn des Kompressionsvorgangs
des Hubkolben-Kältemittelverdichters 1 die
an der drehbaren Taumelscheibe 20 gehaltene nicht-drehbare
Taumelplatte 23 in einer Position gehalten wird, in der
sie ihren maximalen Neigungswinkel einnimmt.
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Wenn
die Taumelscheibe 20 und die Taumelplatte 23 über die
Gleitbewegung des Hülsenelementes 21 unter
Kontraktion der gewundenen Feder 25 in eine Position benachbart
zu dem Sicherungsring bewegt werden, drehen sich die die beiden
Komponenten 20 und 23 mit Hilfe des Gelenkmechanismus 19 um
die Zapfen 21a, 21a, um ihren minimalen Neigungswinkel
einzunehmen.
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Das
hintere Gehäuse 13 weist
in ihm ausgebildet eine zentrale Ausstoßkammer 26 und eine
sich um die Ausstoßkammer 26 erstreckende
Saugkammer 27 auf. Die Ausstoßkammer 26 steht über eine Mehrzahl
von in die Ventilplatte 12 gebohrten Ausstoßöffnungen 12a mit
einer Mehrzahl von Kompressionskammern in Verbindung, die innerhalb
der jeweiligen Zylinderbohrungen 10a zwischen dem Kopf des
jeweiligen Kolbens 16 und der Endfläche des Zylinderblocks 10 definiert
sind, wie in 2 gezeigt.
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Wie
am besten aus 2 ersichtlich, wird jede der
Ausstoßöffnungen 12a öffenbar
verschlossen durch ein Ausstoßventil 43,
welches an einer der einander gegenüberliegenden Seiten der Ventilplatte 12 auf
der dem hinteren Gehäuse 13 zugewandten Seite
befestigt und von seiner die Öffnung
schließenden
Position in seine die Öffnung öffnende
Position bewegbar ist, wo es gegen einen in der Ausstoßkammer 26 angeordneten
Ventilrückhalter 26a anliegt.
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Ferner,
wie ebenfalls in 2 gezeigt, steht jede der oben
erwähnten
Kompressionskammern innerhalb der Zylinderbohrungen 10a mit
der Saugkammer 27 über
eine korrespondierende, in die Ventilplatte 12 gebohrte
Saugöffnung 12b in
Verbindung. Die Saugöffnung 12b wird öffenbar
verschlossen durch jedes der Mehrzahl von Saugventilen 44,
welche auf der Seite der Ventilplatte 12 befestigt sind, die
der Seite gegenüberliegt,
auf der das Ausstoßventil 43 befestigt
ist.
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Es
sei angemerkt, dass die Saugkammer 27 des hinteren Gehäuses 13 über einen
Fluidkanal oder eine Fluidleitung fluidisch verbindbar ist mit einem
Sammler, der in einem externen Kältekreislauf eines
Kältesystems
mit superkritischem Zyklus angeordnet ist, und dass die Ausstoßkammer 26 des
hinteren Gehäuses 13 über einen
anderen Fluidkanal oder -leitung fluidisch verbindbar ist mit einem
Gaskühler,
der in dem Kältekreislauf
des Kältesystems mit
superkritischem Zyklus angeordnet ist.
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Gemäß 1 ist
ein Fluidabzugskanal 28 durch das hintere Gehäuse 13,
die Ventilplatte 12 und den Zylinderblock 10 hindurch
gebildet, um eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer 14 und der
Saugkammer 27 herzustellen. Ferner ist ein Fluidzuführkanal 29 durch
das hintere Gehäuse 13,
die Ventilplatte 12 und den Zylinderblock 10 hindurch
gebildet, um eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer 14 und
der Ausstoßkammer 26 bereitzustellen.
Der Fluidzuführkanal 29 ist
als ein Steuerkanal zum Steuern einer Druckbedingung innerhalb der Kurbelkammer 14 bereitgestellt
und weist eine Verdrängungssteuerventileinheit 30 auf,
die in einer geeigneten Position in dem hinteren Gehäuse 13 darin angeordnet
ist.
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Die
Verdrängungssteuerventileinheit 30 zum Steuern
einer Verdichterverdrängung
weist eine Saugdruckkammer 31 und eine Ausstoßdruckkammer 32 auf, welche
so ausgebildet sind, dass sie einander entlang einer Achse gegenüberliegen.
Die Saugdruckkammer 31 steht mit der Saugkammer 27 über einen
in dem hinteren Gehäuse 13 gebildeten Kanal 33 in
Verbindung, und die Ausstoßdruckkammer 32 steht
mit der Ausstoßkammer 26 über einen in
dem hinteren Gehäuse 13 gebildeten
Kanal 34 in Verbindung. Die Verdrängungssteuerventileinheit 30 weist
ferner ein Balgelement 36 auf, welches zentral in der Saugdruckkammer 31 angeordnet
ist, um eine Atmosphärendruckkammer 35 zu
umschließen.
Das Balgelement 36 ist so konstruiert, dass es sich in
einer Richtung entlang der Achse der Verdrängungssteuerventileinheit 30 ausdehnt
und zusammenzieht, und wird durch ein inneres Federelement 37 ständig nach
seiner ausgedehnten Position hin getrieben, wo ein inneres Ende
des Balgelementes 36 in die Nähe der Ausstoßdruckkammer 32 kommt.
Die Verdrängungssteuerventileinheit 30 weist
ferner eine Ventilöffnung 38 auf,
gebildet in einer die Ausstoßdruckkammer 32 definierenden
Wand in einer Position, die der Saugdruckkammer 31 zugewandt
ist, und einen Öffnungsbereich 39,
der benachbart zu der Ventilöffnung 38 angeordnet
ist. Der Öffnungsbereich 39 steht
mit der Kurbelkammer 14 über einen Fluidzuführkanal 29 in
Verbindung. Das Ende des Balgelementes 36 ist mit einem
Ende einer Ventilstange 40 verbunden, welche sich durch
eine axiale Bohrung, die zwischen der Saugdruckkammer 31 und
der Ausstoßdruckkammer 32 gebildet
ist, und durch den Öffnungsbereich 39 und
die Ventilöffnung 38 hindurch
in die Ausstoßdruckkammer 32 erstreckt.
Im Einzelnen ist ein äußerstes
Ende der Ventilstange 40 mit einem Ventilelement 41 verbunden,
welches so angeordnet ist, dass es der Ventilöffnung 38 gegenüberliegt,
so dass das Ventilelement 41 die Ventilöffnung 38 öffnen und
schließen
kann je nach der axialen Bewegung der Ventilstange 40,
die durch die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Balgelementes 36 in der
Saugdruckkammer 31 verursacht wird. Jedoch wird das Ventilelement 41 ständig zu
seiner Schließposition
hin getrieben, um die Ventilöffnung 38 durch eine
Federkraft eines in der Ausstoßdruckkammer 32 angeordneten
Federelementes 42 zu schließen. Wenn also der Saugdruck,
der über
den Kanal 33 in der Saugdruckkammer 31 der Verdrängungssteuerventileinheit 30 vorherrscht,
unter einen vorgegebenen Wert sinkt, dehnt sich das Balgelement 36 aufgrund
der Federkraft des inneren Federelementes 37 aus, um die
Ventilstange 40 axial zu bewegen und dadurch das Ventilelement 41 von
seiner die Ventilöffnung 38 schließenden Schließstellung
weg zu bewegen. Dementsprechend wird Hochdruckkältemittel von der Ausstoßkammer 26 über die
geöffnete
Ventilöffnung 38 und
den Öffnungsbereich 39 in
die Kurbelkammer 14 zugeführt. Dadurch erhöht sich
der in der Kurbelkammer 14 vorherrschende Druck. Das Kältemittel
in der Kurbelkammer 14 wird jedoch ständig durch den Fluidabzugskanal 28 in
die Saugkammer 27 abgezogen. Wenn also der Saugdruck in
der Saugdruckkammer 31 über
den vorgegebenen Wert steigt, wird das Balgelement 36 entgegen
der Federkraft des inneren Federelementes 37 zusammengezogen,
um die Ventilstange 40 mitzuziehen. Als eine Folge davon
wird das Ventilelement 41 in seine Schließposition,
in der es die Ventilöffnung 38 schließt, zurückbewegt.
Damit wird die Zuführung des
Hochdruckkältemittels
von der Ausstoßkammer 26 in
die Kurbelkammer 14 angehalten. Dadurch wird der in der
Kurbelkammer 14 vorherrschende Druck vermindert.
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Bei
dem Hubkolben-Kältemittelverdichter 1 wird
die durch die externe Antriebskraftquelle getriebene Rotation der
Antriebswelle 15 über
die drehbare Taumelscheibe 20 in eine taumelnde Bewegung
der nicht-drehbaren Taumelplatte 23 umgewandelt. Somit
werden die Kolben 16 in den jeweiligen Zylinderbohrungen 10a hin
und her bewegt, um das aus der Saugkammer 27 in die Zylinderbohrungen 10a gesaugte
Kältemittel
innerhalb der Kompressionskammern darin zu verdichten und anschließend das
verdichtete Kältemittel
aus den Kompressionskammern in die Ausstoßkammer 26 auszustoßen. Während des
Kompressions- und Ausstoßvorgangs
des Verdichters wird der Druck in der Kurbelkammer 14 durch
die Verdrängungssteuerventileinheit 30 gesteuert
als Antwort auf eine Änderung
in dem Saugdruck, die in direkter Beziehung zu einer durch das Kältesystem
aufgebrachten Kühllast
steht. Somit werden der Hin- und Herbewegungshub der jeweiligen
Kolben 16 und der Neigungswinkel der Taumelplatte 23 verändert als
Antwort auf eine Differenz zwischen dem Druck in der Kurbelkammer 14,
der auf der Rückseite
der jeweiligen Kolben 16 wirkt, und dem Druck, der auf
der Vorderseite der Kolben 16 wirkt. Als eine Folge davon
wird die Ausstoßmenge des
Verdichters einstellbar verändert,
d.h. die Steuerung der Verdrängung
des Verdichters wird durchgeführt.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Hubkolben-Kältemittelverdichter 1 gemäß vorliegender
Erfindung mit einer Dichtungseinheit (einer Dichtung) 45 versehen,
welche in der Grenze zwischen der hinteren Endfläche des Zylinderblocks 10 und
einer der Seiten des Saugventils 44 gehalten ist.
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Die 3 und 4 zeigen
eine detaillierte Konstruktion der Dichtungseinheit 45 gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß den 3 und 4 ist
die Dichtungseinheit 45 in dem Zustand vor Montage in die Grenzfläche zwischen
dem Zylinderblock 10 und dem Saugventil 44 als
eine im Wesentlichen kreisförmige
Einheit geformt, die eine kreisförmige
metallische Basisplatte 46 mit einander gegenüberliegenden
Seiten und ein Paar von elastischen Gummimembranen 47 und 48,
die an den einander gegenüberliegenden
Seiten der metallischen Basisplatte 46 angeordnet sind,
umfasst. Die Dichtungseinheit 45 weist mehrere (sechs)
in ihr gebildete Durchgangsbohrungen 45a auf, welche so
positioniert sind, dass sie mit den entsprechenden Bohrungsenden
der Zylinderbohrungen 10a des Zylinderblocks 10 in Übereinstimmung
sind. Jede der Durchgangsbohrungen 45a weist einen Durchmesser
auf, der in etwa zu dem der entsprechenden Zylinderbohrung 10a korrespondiert.
Die Dichtungseinheit 45 ist ferner mit mehreren (sechs)
Durchgangsbohrungen 45b versehen, von denen jede zwischen
zwei benachbarten Durchgangsbohrungen 45a angeordnet ist
und in Bezug auf die Durchgangsbohrungen 45a leicht radial
nach außen
positioniert ist, wie in 3 gezeigt. Die Durchgangsbohrungen 45b sind
bereitgestellt, um den Durchtritt von Durchgangsschraubenbolzen
(einer der Bolzen ist in 1 gezeigt) hierdurch zu erlauben,
wenn die Schraubenbolzen eingeschraubt werden, um den Zylinderblock 10 sowie
das vordere und das hintere Gehäuse 11 und 13 während der Montage
des Kältemittelverdichters 1 dicht
miteinander zu kombinieren.
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Die
metallische Basisplatte 46 und die Gummimembranen 47, 48 der
Dichtungseinheit 45 sind mit ringförmigen Wulstbereichen 45c versehen,
welche um die jeweiligen Durchgangsbohrungen 45a herum
gebildet sind. Jeder der ringförmigen
Wulstbereiche 45c ist als ein sich ringförmig erstreckender konvex-konkaver
Bereich ausgebildet, der die zugehörige Durchgangsbohrung 45a umgibt,
und wird nach konventionellen Verfahren der Verarbeitung durch Pressen
mit geeigneten Werkzeugen hergestellt. Wenn die Dichtungseinheit 45 in
der Grenze zwischen dem Zylinderblock 10 und dem Saugventil 44 montiert
ist, sind die ringförmigen
Wulstbereiche 45a so angeordnet, dass der konvexe Bereich
jedes Wulstbereichs 45c entweder mit dem Saugventil 44 oder
mit der Endfläche
des Zylinderblocks 10 in Kontakt ist. Jeder der ringförmigen Wulstbereiche 45c der
Dichtungseinheit 45 ist so ausgebildet, dass er anfänglich eine
Höhe von
ca. 0,2 mm und eine Breite von 2 mm aufweist, bevor die Dichtungseinheit 45 in den
Verdichter montiert und zwischen dem Zylinderblock 10 und
dem Saugventil 44 gehalten ist. Wenn nun also die Dichtungseinheit 45 in
der Grenze zwischen dem Zylinderblock 10 und dem Saugventil 44 montiert
ist und als eine Folge des Miteinanderkombinierens des Zylinderblocks 10,
des vorderen Gehäuses 11,
der Ventilplatte 12 und des hinteren Gehäuses 13 zusammengedrückt wird,
werden die konvexen Bereiche der jeweiligen ringförmigen Wulstbereiche 45c in
Druckkontakt mit der gegenüberliegenden
Oberfläche
des Saugventils 44 oder des Zylinderblocks 10 gebracht
und dadurch um einen kleinen Betrag zusammengedrückt. Dadurch wird die die jeweiligen
ringförmigen
Wulstbereiche 45c abdeckende Gummimembran 47 durch
die metallische Basisplatte 46 und die Kontaktfläche, d.h.
die Saugventilfläche
oder die Zylinderblockfläche,
zusammengedrückt,
so dass ein Dichtungseffekt um die jeweiligen Bohrungsenden der
Zylinderbohrungen 10a des Zylinderblocks 10 herum
bewirkt wird. Dementsprechend stehen die Kompressionskammern der
Zylinderbohrungen 10a nur entweder mit der Ausstoßkammer 26 oder
mit der Saugkammer 27 in fluidischer Verbindung, je nachdem,
ob das Ausstoßventil 43 oder
das Saugventil 44 während
des Betriebs des Verdichters 1 geöffnet wird.
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Wenn
die Antriebskraft von einer externen Antriebskraftquelle, z.B. von
einem Fahrzeugmotor, über
die Magnetkupplung auf die Antriebswelle 15 aufgebracht
wird, verursacht die Rotation der Antriebswelle 15 die
Rotation des Rotorelementes 18 zusammen mit der drehbaren
Taumelscheibe 20, die so gehalten ist, dass sie einen gegebenen
Neigungswinkelbetrag aufweist. Deswegen führt die nicht-drehbare Taumelplatte 23,
die über
das Drucklager 22 unter demselben Neigungswinkelbetrag
an der Taumelscheibe gehalten ist, die Taumelbewegung um die Rotationsachse
der Antriebswelle 15 durch, und dementsprechend werden
die jeweiligen Kolben 16 in den entsprechenden Zylinderbohrungen 10a über die
Verbindungsstangen 24 hin und her bewegt. Die Hin- und
Herbewegung der jeweiligen Kolben 16 führt das Kältemittel von der Saugkammer 27 in
die Zylinderbohrungen 10a ein und verdichtet das Kältemittel
innerhalb der Kompressionskammern in den Zylinderbohrungen 10a.
Das verdichtete Kältemittel
wird durch die Kolben 16 aus den Kompressionskammern der
jeweiligen Zylinderbohrungen 10a in die Ausstoßkammer 26 ausgestoßen.
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Wenn
der Verdichter 1 in ein Kältesystem mit superkritischem
Zyklus inkorporiert ist, welches Kohlendioxid (CO2)
als Kältemittel
verwendet, komprimiert der Verdichter 1 das Kohlendioxid
auf einen superkritischen Druck des Kohlendioxids, d.h. ca. 10 MPa,
und stößt es in
die Ausstoßkammer 26 aus,
wo das Kohlendioxidgas mit dem superkritischen Druck an das Kältesystem
abgegeben wird. Wenn das Kältemittel
(CO2) mit dem superkritischen Druck aus
den Zylinderbohrungen 10a in die Ausstoßkammer 26 ausgestoßen wird,
wirkt der hohe superkritische Druck um die Bohrungsenden der jeweiligen
Zylinderbohrungen 10a. Jedoch hält die Dichtungseinheit 45,
welche die mit den elastischen Gummimembranen 47 und 48 bedeckten
ringförmigen
Wulstbereichen 45c aufweist, den Dichtungseffekt um die
Bohrungsenden sicher aufrecht, um das ausgestoßene Kältemittel nur in die Ausstoßkammer 26 zu
lenken, ohne Leckage in eine Saugdruckregion innerhalb des Verdichters 1 und
zur Außenseite
des Verdichters 1. Es wird also erkennbar sein, dass durch
das Vorhandensein der Dichtungseinheit 45 der Verdichter 1 ein Kältemittel
auf einen superkritischen Druck verdichten kann und in ein Kältesystem
mit superkritischem Zyklus inkorporiert werden kann, ohne eine Verminderung
seiner Verdichtungsleistung zu verursachen.
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(Die zweite Ausführungsform)
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5 illustriert
einen kritischen Teil eines mit einer inneren Packungseinheit versehenen
Hubkolben-Kältemittelverdichters
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
in den Kältemittelverdichter
gemäß der zweiten
Ausführungsform
montierte Packungseinheit umfasst eine Dichtungseinheit 45 ähnlich der
Vorrichtung 45 der vorausgehenden Ausführungsform und ein zusätzliches
ringförmiges
Dichtungselement, bestehend aus einer Mehrzahl von O-Ringen 49.
Im Einzelnen ist die Dichtungseinheit 45 dicht zwischen der
Endfläche
des Zylinderblocks 10 und einer Seite des Saugventils 44 gehalten
und die O-Ringe 49 sind zwischen den einander gegenüberliegenden
Seiten des Saugventils 44 und der Ventilplatte 12 gehalten. Diese
O-Ringe 49 sind zwischen Saugventil 44 und Ventilplatte 12 so
eingefügt,
dass sie die jeweiligen Bohrungsenden der Zylinderbohrungen 10a umgeben,
und sind in ringförmige
Nuten 12c eingesetzt, welche in der Ventilplatte 12 ausgespart
sind.
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Bei
der Montage des Verdichters werden die Dichtungseinheit 45 und
die O-Ringe 49 durch die Endfläche des Zylinderblocks 10 und
der Ventilplatte 12 über
das Saugventil 44 zusammengedrückt, so dass die ringförmigen Wulstbereiche 45c und
die O-Ringe 49 fluiddicht gehalten werden, um eine vollständige ringförmige Abdichtung
um die jeweiligen Bohrungsenden der Zylinderbohrungen 10a herum zu
bewirken. Insbesondere können
die O-Ringe 49 die ringförmige Abdichtung der jeweiligen
Bohrungsenden der Zylinderbohrungen 10a in der Grenze zwischen
dem Saugventil 44 und der Ventilplatte 12 sicherstellen
und dementsprechend wird ein durch die Dichtungseinheit 45 an
einer Leckage gehindertes Hochdruckkältemittel zusätzlich an
einer Leckage durch die Grenze zwischen Saugventil 44 und
Ventilplatte 12 in die Saugdruckregion oder zur Außenseite des
Verdichters gehindert. Dementsprechend kann eine Verminderung der
Verdichtungsleistung des Kältemittelverdichters
gemäß der zweiten
Ausführungsform
durch die Packungseinheit (eine Kombination der Dichtungseinheit 45 und
der O-Ringe 49) effektiv verhindert werden.
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Es
sei angemerkt, dass die Konstruktion des Verdichters – abgesehen
von der Anordnung der im Vorstehenden erwähnten Packungseinheit – identisch
ist mit der der ersten Ausführungsform
gemäß 1.
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(Die dritte Ausführungsform)
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6 illustriert
einen mit einer einfacheren Dichtungseinheit versehenen Hubkolben-Kältemittelverdichter
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung. Im Einzelnen umfasst die Dichtungseinheit gemäß vorliegender
Ausführungsform
eine Mehrzahl von O-Ringen 49 zum gasdichten Abdichten
der Bohrungsenden der entsprechenden Zylinderbohrungen 10a des
Zylinderblocks 10. Die O-Ringe 49 sind zwischen
der Endfläche
des Zylinderblocks 10 und der gegenüberliegenden Fläche des Saugventils 44 so
angeordnet, dass sie die Bohrungsenden der jeweiligen Zylinderbohrungen 10a umgeben,
und insbesondere sind die O-Ringe 49 in ringförmige Nuten 10b eingesetzt,
welche in der Endfläche
des Zylinderblocks 10 ausgespart sind. Die O-Ringe 49 sind
durch den Zylinderblock 10 und die Ventilplatte 12 in
der Grenze zwischen der Endfläche des
Zylinderblocks 10 und der Ventilplatte 12 über das
Saugventil 44 zusammengedrückt, um entsprechende, sich
ringförmig
erstreckende Dichtungsbereiche zu bilden, und dementsprechend wird
die Abdichtung um die Bohrungsenden der jeweiligen Zylinderbohrungen 10a sichergestellt,
um eine Leckage des Hochdruckkältemittels
in Regionen, die von der Ausstoßkammer 26 verschieden
sind, zu verhindern. Dementsprechend kann eine Verminderung der
Verdichtungsleistung des Kältemittelverdichters
gemäß der dritten
Ausführungsform
effektiv verhindert werden.
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Es
sei angemerkt, dass die allgemeine Konstruktion des Verdichters
gemäß der dritten
Ausführungsform – bis auf
die Anordnung der im Vorstehenden erwähnten O-Ring-Typ-Dichtungseinheit – identisch
ist mit der der ersten Ausführungsform
gemäß 1.
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(Die vierte Ausführungsform)
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7 illustriert
einen kritischen Teil eines Kältemittelverdichters
gemäß der vierten
Ausführungsform,
wobei eine ringförmige
Dichtungseinheit ein Paar von O-Ringen 49, 49 umfasst,
welche um das Bohrungsende jeder Zylinderbohrung 10a des Zylinderblocks 10 angeordnet
sind. Im Einzelnen ist bei der ringförmigen Dichtungseinheit gemäß der vierten
Ausführungsform
ein O-Ring 49 des O-Ring-Paares in einer Grenze zwischen
der Endfläche
des Zylinderblocks 10 und einer der gegenüberliegenden
Oberflächen
des Saugventils 44 angeordnet, um das Bohrungsende der
Zylinderbohrungen 10a zu umgeben, und der andere O-Ring 49 des O-Ring-Paares
ist in einer weiteren Grenze zwischen der jeweils anderen der gegenüberliegenden
Oberflächen
des Saugventils 44 und der Ventilplatte 12 angeordnet,
um dasselbe Bohrungsende zu umgeben. Hierbei ist das Paar von O-Ringen 49, 49 in
ringförmige
Nuten 10b, 12c eingesetzt, welche in der Endfläche des
Zylinderblocks 10 und in einer Endfläche der Ventilplatte 12 gebildet
sind.
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Es
sei angemerkt, dass das um das Bohrungsende jeder Zylinderbohrung 10a angeordnete Paar
von O-Ringen 49, 49 durch den Zylinderblock 10 und
die Ventilplatte 12 über
das Saugventil 44 zusammengedrückt sind, um eine doppelte
ringförmige Abdichtung
um das Bohrungsende jeder Zylinderbohrung 10a zu bewirken.
Aufgrund der doppelten ringförmigen
Abdichtung um die Bohrungsenden der jeweiligen Zylinderbohrungen 10a des
Zylinderblocks 10 kann eine Leckage des auf seinen superkritischen Druck
verdichteten Kältemittels
aus den Zylinderbohrungen 10a in Regionen, die von der
Ausstoßkammer 26 verschieden
sind, sicher verhindert werden. Dementsprechend kann eine Verminderung
der Verdichtungsleistung infolge Leckage des Hochdruckkältemittels
durch einen die Bohrungsenden der jeweiligen Zylinderbohrungen 10a umgebenden
Bereich sicher verhindert werden.
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Die
verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurden unter Bezugnahme auf den Fall
beschrieben, dass der Kältemittelverdichter
in ein Kältesystem
mit superkritischem Zyklus inkorporiert ist, wobei das Kältemittel mit
superkritischem Druck aus dem Verdichter ausgestoßen wird;
die vorliegende Erfindung ist jedoch gleichermaßen anwendbar auf einen Verdichter,
der in ein Kältesystem
mit subkritischem Zyklus inkorporiert ist.
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Ferner
sind zahlreiche Änderungen
und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsform möglich, ohne
der Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie in den
beigefügten
Ansprüchen
beansprucht.