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Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen elektrischen Kältemittelverdichter.
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In der Fahrzeugtechnik werden Verdichter bei Kältemaschinen bzw. Klimaanlagen eingesetzt. Sie fungieren dabei als Kältemittelverdichter, über die ein Kältemittel angesaugt und komprimiert wird. Das verdichtete Kältemittel wird im weiteren Verlauf der Klimaanlage zur Kühlung eingesetzt, beispielsweise zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraums. Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden elektrische Verdichter eingesetzt, deren Leistungsabgabe über die elektronische Drehzahlregelung des Elektromotors gesteuert werden kann.
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Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen, die einen Verbrennungsmotor aufweisen, werden typischerweise Kolbenverdichter verwendet, die ein Taumelscheibengetriebe zur Steuerung des Kolbenhubs aufweisen und an den Riementrieb eines Verbrennungsmotors gekoppelt sind. Derartige Verdichter werden jedoch nicht bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt, da sie nicht ohne Weiteres mit einem Elektromotor gekoppelt werden können. Zudem ist die Mechanik bei derartigen Verdichtern sehr komplex.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik elektrische Verdichter bekannt, die generell für die Verwendung bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen geeignet sind. Hierbei handelt es sich um sogenannte Scroll-Verdichter, die zwei ineinandergreifende schneckenhausartige Gehäuseteile aufweisen, in deren Zwischenraum das Kältemittel komprimiert wird. Als nachteilig hat sich bei den Scroll-Verdichtern herausgestellt, dass diese aufgrund ihres Aufbaus eine sehr komplexe Flächengeometrie haben. Aufgrund der komplexen Flächengeometrie sind die Scroll-Verdichter jedoch nicht für hohe Drücke geeignet. Dies liegt daran, dass die hohen Drücke hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen. Diese sind jedoch wegen der komplexen Flächengeometrie schwer einzuhalten.
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Dies ist insbesondere ein Problem, da der Trend bei den verwendeten Kältemitteln zu Hochdruck-Kältemitteln wie CO2 (R744) geht, die im Vergleich zu synthetisch hergestellten Kältemitteln umweltfreundlicher sind. Aufgrund gesetzlicher Vorgaben ist die Verwendung der Hochdruck-Kältemittel zudem in Zukunft vorgeschrieben.
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Des Weiteren haben die Scroll-Verdichter den Nachteil, dass diese schlechte akustische Eigenschaften aufweisen, insbesondere dann, wenn eine hohe Leistung des Verdichters abgerufen wird.
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Ein weiterer Nachteil der Scroll-Verdichter besteht darin, dass diese im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenverdichtern, die ein Taumelscheibengetriebe aufweisen, keine Übersetzung haben, sodass die Drehzahl des Antriebsmotors nicht übersetzt werden kann. Daher ist keine individuelle Drehzahl-Optimierung möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdichter zu schaffen, der einen einfachen sowie kompakten Aufbau hat und dennoch für hohe Drücke geeignet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdichter, insbesondere einen elektrischen Kältemittelverdichter, gelöst, mit einer antriebsseitigen Antriebswelle, die sich um ihre Antriebsachse dreht, einer Abtriebswelle, die sich um ihre Abtriebsachse dreht, die von der Antriebsachse verschieden ist, sowie wenigstens zwei linear verschiebbaren Kolben, die von der Antriebswelle angetrieben werden, wobei die beiden Kolben jeweils Teil einer ersten Baugruppe von bewegten, mechanisch gekoppelten Teilen sind, und wobei die erste Baugruppe einen Massenschwerpunkt hat, der im Betrieb des Verdichters um die Antriebsachse läuft.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, den Verdichter so zu konzipieren, dass er möglichst wenig bewegte Bauteile aufweist, die in einfacher Weise miteinander mechanisch gekoppelt sind. Aufgrund der geringen Anzahl an bewegten Bauteilen sowie der einfachen Bauweise können die erforderlichen Fertigungstoleranzen eingehalten werden, sodass der Verdichter auch für hohe Drücke geeignet ist. Zudem kann der Verdichter einfach und kostengünstig hergestellt werden. Die hierzu verwendeten Bauteile, die die Kolbenbewegung antreiben, bilden eine Hubkolbenmaschine aus. Über die versetzte Anordnung der Antriebswelle und der Abtriebswelle ist es zudem generell möglich, dass eine individuelle Übersetzung der Drehzahl des Antriebsmotors vorgesehen sein kann.
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Insbesondere läuft der Massenschwerpunkt der ersten Baugruppe auf einer Kreisbahn um die Antriebsachse. Hierdurch wird eine gleichmäßige, harmonische Bewegung der ersten Baugruppe erreicht, da der Massenschwerpunkt mit einem konstanten Radius um die Antriebsachse läuft. Dadurch kann der Verdichter auch bei hohen Leistungsanforderungen laufruhig arbeiten, sodass er geräuscharm ist.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Abtriebswelle ebenfalls Teil der ersten Baugruppe ist und die Abtriebsachse im Betrieb des Verdichters um die Antriebsachse läuft, was ebenfalls dazu beiträgt, dass der Massenschwerpunkt der ersten Baugruppe im Betrieb des Verdichters um die Antriebsachse in einer homogenen Weise läuft, insbesondere auf einer Kreisbahn, sodass der Verdichter im Betrieb laufruhig arbeitet. Das Gewicht der Abtriebswelle dient somit zur Auswuchtung der Hubkolbenmaschine.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Abtriebswelle mit den wenigstens zwei linear verschiebbaren Kolben gekoppelt, die insbesondere als wenigstens ein Doppelkolben ausgebildet sind, der zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Kolben und ein gemeinsames Verbindungselement mit einem Pleuelauge umfasst. Durch diese Ausführung können die auftretenden Fertigungstoleranzen weiter gesenkt werden, da die beiden Kolben einstückig miteinander verbunden sein können. Die Abtriebswelle kann vorzugsweise als Kurbelwelle mit Hub-Exzenter ausgebildet sein, an dem der Doppelkolben über das Pleuelauge gekoppelt ist. Hierdurch ist eine einfache mechanische Verbindung der beiden linear verstellbaren Kolben mit der Abtriebswelle gewährleistet. Des Weiteren kann die zur Verstellung der Kolben aufzuwendende Kraft gesenkt werden, da die Kraft lediglich gegen die Druckdifferenz der beiden zugeordneten Kolben arbeiten muss, wenn diese als Doppelkolben ausgebildet sind.
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Ferner kann zumindest die Abtriebswelle ein Ausgleichsgewicht aufweisen, das um die Antriebsachse drehbar ist und insbesondere derart positioniert ist, dass sich der Massenschwerpunkt aller bewegten Teile immer auf der Antriebsachse befindet. Das Ausgleichsgewicht ist als Gegenpart zu den beiden Kolben vorgesehen, sodass bei der Drehung der Abtriebswelle das Ausgleichsgewicht zumindest den Massenschwerpunkt der beiden Kolben beim Umlauf um die Antriebsachse ausgleicht. Das Ausgleichsgewicht kann insbesondere die gleiche Masse wie die beiden Kolben, insbesondere der Doppelkolben, und der Hub-Exzenter aufweisen, sodass das Ausgleichsgewicht diametral entgegengesetzt zum Hub-Exzenter in Bezug auf die Abtriebsachse angeordnet sein kann. Durch die Festlegung des Massenschwerpunkts aller bewegten Teile auf der Antriebsachse wird ein sehr laufruhiger Verdichter realisiert, der eine besonders geringe Geräuschentwicklung hat, da die Hubkolbenmaschine vollständig ausgewuchtet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein äußeres Hohlrad vorgesehen, das eine Innenverzahnung aufweist, die mit der Abtriebswelle zusammenwirkt, wobei insbesondere das Hohlrad Teil eines Gehäuses ist. Sofern die Abtriebswelle eine korrespondierende Außenverzahnung aufweist, kann hierdurch ein Schlupf der Abtriebswelle verhindert werden, da das Abrollen der Abtriebswelle durch das Ineinandergreifen der Verzahnungen unterstützt wird. Des Weiteren treten aufgrund des geführten Abrollens der Abtriebswelle keine Querkräfte an den Kolben auf.
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Ferner kann ein Getriebe vorgesehen sein, das zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist. Über das Getriebe kann die Übersetzung der Drehzahl des Antriebsmotors auf den Verdichter entsprechend eingestellt werden, wodurch eine individuelle Drehzahl-Optimierung möglich ist. Beispielsweise kann über die entsprechende Ausbildung der jeweiligen Verzahnungen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung eine inidviduelle Übersetzung bereitgestellt werden.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Getriebe eine Zwischenwelle aufweist, die mit der Antriebswelle und der Abtriebswelle gekoppelt ist, wobei die Zwischenwelle insbesondere derart ausgebildet ist, dass die Abtriebswelle in der Zwischenwelle drehbar gelagert ist. Die Abtriebswelle wird demnach direkt von der Antriebswelle angetrieben, sodass die Abtriebswelle in der Zwischenwelle lediglich stabil gelagert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Zwischenwelle Teil einer ersten Gegenbaugruppe, deren Massenschwerpunkt im Betrieb des Verdichters um die Antriebsachse läuft und insbesondere der ersten Baugruppe bezüglich der Abtriebswelle diametral gegenüberliegt. Die Zwischenwelle bildet demnach zudem ein Ausgleichgewicht für die erste Baugruppe, sodass sichergestellt ist, dass der Schwerpunkt aller bewegten Teile auf der Antriebsachse liegt. Dies garantiert den laufruhigen Betrieb des Verdichters. Die Zwischenwelle kann hierzu einen als Gegengewicht dienenden Abschnitt aufweisen, wodurch der Massenschwerpunkt der Zwischenwelle je nach Gewicht und Anordnung des Gegengewichts auf einem größeren, kleineren oder sogar dem gleichen Radius um die Antriebsachse läuft wie der Massenschwerpunkt der ersten Baugruppe.
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Ferner kann das Gehäuse wenigstens ein Lager für die Zwischenwelle aufweisen, wodurch ein dauerhafter Betrieb des Verdichters gewährleistet ist. Die Zwischenwelle ist demnach nicht an der Antriebs- oder der Abtriebswelle gelagert, sodass sie keine Verschiebung dieser Wellen verursacht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein Elektromotor vorgesehen ist, der einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei die Antriebswelle mit dem Rotor gekoppelt ist, insbesondere zentrisch gekoppelt ist. Die Verwendung eines schnell drehenden Elektromotors ist generell möglich, da aufgrund der individuellen Übersetzung die hohe Drehzahl des Elektromotors verringert werden kann, sodass der Verdichter dennoch in einem akustisch optimalen Bereich arbeiten kann. Ferner reduzieren sich dadurch Gaswechsel- sowie Strömungsverluste des Verdichters. Zudem ist ein Elektromotor klein ausgeführt, sodass ein kompakter Verdichter ausgebildet werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Abtriebswelle mit dem Rotor gekoppelt ist, insbesondere im oder am Rotor gelagert ist. Hierdurch ist ein direkter Antrieb der Abtriebswelle möglich, wodurch sich die Bauteilanzahl des Verdichters entsprechend reduziert. Ferner reduziert sich auch die Anzahl der beweglichen Teile, wodurch die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen entsprechend geringer sind, was zur Folge hat, dass ein Verdichter geschaffen ist, der mit hohen Drücke arbeiten kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind den Kolben Zylinder zugeordnet, die über Strömungskanäle miteinander strömungsverbunden sind, insbesondere mit zwischengeschalteten Ventilen. Über die Strömungsverbindung wird erreicht, dass das Kältemittel in gleichmäßiger, harmonischer Weise angesaugt und ausgestoßen werden kann. Bei den Strömungskanälen kann es sich um Eingangs- und Ausgangsströmungskanäle handeln, die voneinander getrennt sind. In den jeweiligen Kanälen kann jeweils ein Einlass- oder ein Auslassventil angeordnet sein, um die Strömung entsprechend zu steuern.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Übersicht mit einer Darstellung des Wirkprinzips sowie einer Schnittansicht der Hubkolbenmaschine des erfindungsgemäßen Verdichters,
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2 eine Übersicht mit einer Darstellung des Wirkprinzips sowie einer Schnittansicht des Getriebes des erfindungsgemäßen Verdichters mit verschiedenen Massenschwerpunkten,
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3 eine Übersicht mit verschiedenen Darstellungen, die die Stadien des Verdichters anhand des Wirkprinzips zeigen
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4 eine weitere Übersicht mit mehreren Darstellungen des Wirkprinzips sowie einer Schnittansicht des Getriebes des erfindungsgemäßen Verdichters
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5 eine Übersicht mit einer Schnittansicht des Getriebes des erfindungsgemäßen Verdichters sowie zwei Perspektivansichten der Bestandteile des Getriebes,
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6 eine Übersicht mit der Darstellung des Getriebes aus 5 sowie den Perspektivansichten der Bestandteile im zusammengebauten Zustand,
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7 eine Schnittansicht der Hubkolbenmaschine des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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8 eine Detailansicht eines Doppelkolbens des erfindungsgemäßen Verdichters, und
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9 eine Detailansicht eines Zylinders des erfindungsgemäßen Verdichters.
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In 1 ist eine Übersicht dargestellt, die einen Verdichter 10 teilweise in einer Schnittdarstellung schematisch zeigt. Ferner ist in 1 eine Darstellung gezeigt, die das prinzipielle Wirkungsprinzip des Verdichters 10 verdeutlichen soll.
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Das prinzipielle Wirkungsprinzip wird in Verbindung mit den 2 und 3 erläutert, in denen die das prinzipielle Wirkungsprinzip zeigende Darstellung ebenfalls gezeigt sind.
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Aus der Schnittdarstellung der 1 geht hervor, dass der Verdichter 10 eine Hubkolbenmaschine 12 aufweist, die innerhalb eines Gehäuses 14 angeordnet ist. Das Gehäuse 14 kann beispielsweise ein Hohlrad 15 umfassen.
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Die Hubkolbenmaschine 12 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Antriebswelle 16 auf, die von einem nicht dargestellten Antrieb, insbesondere einem Elektromotor, angetrieben wird und sich um eine Antriebsachse A dreht. Die Antriebswelle 16 ist mit einer Abtriebswelle 18 gekoppelt, die sich um eine Abtriebsachse B dreht, die zur Antriebsachse A versetzt angeordnet ist.
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Die Abtriebswelle 18 ist als Kurbelwelle ausgebildet und weist einen Hub-Exzenter 20 auf, an dem zwei linear verschiebbare Kolben 22a, 22b angeordnet sind. Die beiden linear verschiebbaren Kolben 22a, 22b sind in der gezeigten Ausführungsform als ein Doppelkolben 23 ausgebildet, der ein gemeinsames Verbindungselement 24 mit einem Pleuelauge umfasst, über das die beiden Kolben 22a, 22b mit dem Hub-Exzenter 20 gekoppelt sind. In 8 ist der Doppelkolben 23 detailliert gezeigt.
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Die Kolben 22a, 22b sind jeweils einem Hubraum 25a, 25b zugeordnet, in denen sie sich bewegen können, um ein Kältemittel in den jeweiligen Hubraum 25 anzusaugen und zu komprimieren sowie auszustoßen. Einer der Hubräume 25a, 25b ist in 9 detaillierter gezeigt. Jedem Hubraum 25a, 25b ist ein Einlassventil 26a, 26b sowie ein Auslassventil 27a, 27b zugeordnet, die den Hubraum 25a, 25b mit einem Eingangsströmungskanal 28a, 28b bzw. einem Ausgangsströmungskanal 29a, 29b verbindet, über die Kältemittel angesaugt bzw. ausgestoßen werden kann.
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Die Antriebswelle 16, die Abtriebswelle 18 sowie die beiden Kolben 22 bzw. der Doppelkolben 23 bilden eine erste Baugruppe 30 bewegter, mechanisch gekoppelter Teile aus, deren Funktion nachfolgend noch erläutert wird.
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Die Abtriebswelle 18 ist mit der Antriebswelle 16 über ineinandergreifende Zahnkränze 32, 34 gekoppelt, sodass das Drehmoment der Antriebswelle 16 auf die Abtriebswelle 18 schlupffrei übertragen werden kann. Da die Antriebsachse A und die Abtriebsachse B versetzt angeordnet sind, läuft die Abtriebsachse B im Betrieb um die Antriebsachse A entlang des Zahnkranzes 32.
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Ferner weist die Abtriebswelle 18 eine Außenverzahnung 36 auf, die ebenfalls als Zahnkranz ausgebildet ist, mit der die Abtriebswelle 18 am Gehäuse 14 bzw. dem Hohlrad 15 anliegt, insbesondere an einer dort ausgebildeten Innenverzahnung 38. Im Betrieb rollt die Abtriebswelle 18 über die Außenverzahnung 36 am Hohlrad 15 geführt ab, wodurch einerseits ein Schlupf der Abtriebswelle 18 vermieden wird. Andererseits werden hierdurch laterale Kräfte vermieden, die auf die Kolben 22 wirken würden.
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Das Prinzip des Abrollens und der Eingriff der jeweiligen Verzahnungen geht insbesondere aus 4 hervor.
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Die Lagerung der Abtriebswelle 18 erfolgt in der gezeigten Ausführungsform an einer Zwischenwelle 40, wobei die Abtriebswelle 18 an einem ersten Lager 42 und einem zweiten Lager 43 der Zwischenwelle 40 gelagert ist, die jeweils als Durchführungen ausgebildet sind. Aufgrund der Lagerung ist gewährleistet, dass sich die Abtriebswelle 18 mit ihrer Abtriebsachse B frei um die Antriebsachse A drehen kann und dennoch sicher gelagert ist.
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Die Zwischenwelle 40 selbst ist am Gehäuse 14 bzw. dem Hohlrad 15 an einer ersten Lagerstelle 44 und einer zweiten Lagerstelle 45 gelagert. Die beiden Lagerstellen 44, 45 fallen jeweils mit den beiden Lagern 42, 43 zusammen.
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Generell bilden das Gehäuse 14, die Zwischenwelle 40, die Zahnkränze 32, 34 der Antriebs- und Abtriebswelle 16, 18 sowie die Außen- und Innenverzahnung 36, 38 ein Getriebe 46 aus, das die Drehzahl des Antriebs individuell übersetzt. Über die Zahnanzahl der Zahnkränze 32, 34 sowie deren Durchmesser kann das Übersetzungsverhältnis eingestellt werden.
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Das Getriebe 46 und die Lagerung der Abtriebswelle 18 an der Zwischenwelle 40 gehen ferner insbesondere aus den 5 und 6 hervor.
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Anhand der Darstellungen des Wirkprinzips in den 1 bis 3 wird nun der Betrieb des Verdichters 10 erläutert. Die Darstellungen des Wirkprinzips basieren auf der Darstellung der Massenschwerpunkte wesentlicher Bauteile der Hubkolbenmaschine 12.
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Die Antriebswelle 16 weist einen Massenschwerpunkt M1 hat, der stets auf der Antriebsachse A liegt, da sich die Antriebswelle 16 um sich selbst dreht. Die Antriebsachse A bildet den Fixpunkt der Darstellung des Wirkprinzips.
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Ferner weist die Abtriebswelle 18 mehrere Massenschwerpunkte auf, wie aus 2 hervorgeht. Beispielsweise weist der Hub-Exzenter 20 einen Massenschwerpunkt M2 auf, der zudem noch die Masse der beiden Kolben 22 bzw. des Doppelkolbens 23 berücksichtigt. Ferner sind weitere Massenschwerpunkte M3 und M4 an der Abtriebswelle 18 vorgesehen, die durch Ausgleichsgewichte 48, 50 gebildet sind.
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Generell sind die Ausgleichsgewichte 48, 50 der Abtriebswelle 18 derart angeordnet und ausgebildet, dass die erste Baugruppe 30 einen Massenschwerpunkt M5 hat, der exakt auf der Abtriebsachse B liegt, sodass die Abtriebswelle 18 ausgewuchtet ist und sich im Betrieb laufruhig dreht.
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Beispielsweise kann das Ausgleichsgewicht 48 anders als in der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform diametral entgegengesetzt zum Hub-Exzenter 20 in Bezug auf die Abtriebsachse B angeordnet sein, sodass nur das Ausgleichsgewicht 48 die Masse des Hub-Exzenters 20 und der Kolben 22 ausgleicht.
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Ferner ist die Zwischenwelle 40 derart gestaltet, dass sie einen Massenschwerpunkt M6 hat, der von der eigenen Masse der Zwischenwelle 40 und insbesondere von der Anordnung eines Gegengewichts 52 mit einem Massenschwerpunkt M7 abhängt. Ein Endabschnitt der Zwischenwelle 40 ist als das Gegengewicht 52 ausgebildet.
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Über die Ausbildung der Zwischenwelle 40 und insbesondere des Gegengewicht 52 wird der Massenschwerpunkt M6 eingestellt, um den Massenschwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 derart auszugleichen, dass sich ein Massenschwerpunkt MM aller bewegten Teile der Hubkolbenmaschine 12 exakt auf der Antriebsachse A befindet. Die Zwischenwelle 40 bildet demnach eine Art Gegenbaugruppe aus, die zur ersten Baugruppe 30 diametral entgegengesetzt angeordnet ist.
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Aus den 3a bis h geht hervor, wie sich die einzelnen Massenschwerpunkte im Betrieb des Verdichters 10 bzw. der Hubkolbenmaschine 12 um die Antriebsachse A bewegen. In den 3a bis h ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der der Massenschwerpunkt M2 des Hub-Exzenters 20 und der Kolben 22 nur durch das diametral entgegengesetzt angeordnete Ausgleichsgewicht 48 bzw. dessen Massenschwerpunkt M3 ausgeglichen ist, wie weiter oben bereits beispielhaft erläutert worden ist.
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Aus Gründen der Übersicht sind in den Darstellungen nur der Massenschwerpunkt M2 des Hub-Exzenters 20 und der Kolben 22, der Massenschwerpunkt M3 des Ausgleichsgewichts 48, der Massenschwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 sowie der Massenschwerpunkt MM aller bewegten Teile dargestellt. Der Massenschwerpunkt M1 der Antriebsachse 16, die einzelnen Massenbeiträge der Abtriebsachse 18 sowie der Massenschwerpunkt M6 der Zwischenwelle 40 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Die abstrakten Darstellungen zum Wirkprinzip der 3a bis h können zum besseren Verständnis mit den 1 und 2 zusammen betrachtet werden.
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Die in 3c gezeigte Übersicht entspricht der Stellung des Verdichters 10, die in den 1 und 2 ebenfalls gezeigt ist. In dieser Stellung befindet sich der Schwerpunkt M2 der Kolben 22 bzw. des Doppelkolbens 23 in einer vollausgelenkten Stellung, wohingegen der Massenschwerpunkt M3 des Ausgleichsgewichts 48 mit der Antriebsachse A zusammenfällt. Der Massenschwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 befindet sich ebenfalls in einer vollausgelenkten Stellung auf der Abtriebsachse B. Der Massenschwerpunkt MM aller bewegten Teile befindet sich dagegen auf der Antriebsachse A.
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In 3a befindet sich die Hubkolbenmaschine 12 in ihrer Ausgangsstellung, die mit 0° bezeichnet wird. In dieser Stellung ist der Doppelkolben 23, welcher in vertikaler Richtung ausgelenkt werden kann, in seiner Neutralstellung, wohingegen sich das Ausgleichsgewicht 48 der Abtriebswelle 18 in einer voll ausgelenkten Stellung befindet. Die dem Doppelkolben 23 zugeordneten Kolben 22 befinden sich demnach gerade in einer Übergangsphase zwischen den beiden Hubräumen 25a, 25b.
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3b zeigt die Hubkolbenmaschine 12 zu einem späteren Zeitpunkt, wobei die erste Baugruppe 30 und ihr Massenschwerpunkt M5 über die Antriebswelle 16 um einen Winkel α zur in Darstellung 3a gezeigten Ausgangsstellung verstellt worden ist. Der Winkel α wird durch die Verbindungslinie des Massenschwerpunkts M5 der ersten Baugruppe 30 und des Massenschwerpunkts MM aller bewegten Teile in der aktuellen Stellung sowie in der in 3a gezeigten Ausgangsstellung berechnet.
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In der in 3b gezeigten Stellung beträgt der Winkel α exakt 45°. Der Doppelkolben 23 ist aus seiner Neutralstellung in Richtung seiner ersten Endstellung und das Ausgleichsgewicht 48 ist von seiner voll ausgelenkten Stellung in Richtung Neutralstellung bewegt worden.
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Demnach komprimiert der erste Kolben 22a das in den zugeordneten Hubraum 25a befindliche Kältemittel, wohingegen der Kolben 22b in den entsprechenden Hubraum 25b Kältemittel ansaugt.
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In 3c ist die Hubkolbenmaschine 12 zu einem noch späteren Zeitpunkt gezeigt, wobei sich der Doppelkolben 23 in seiner ersten Endstellung und das Ausgleichsgewicht 48 in seiner Neutralstellung befinden. In dieser Stellung ist die erste Baugruppe 30 um 90° zur in 3a gezeigten Ausgangsstellung bewegt worden. Das im Hubraum 25a befindliche Kältemittel ist somit über das Auslassventil 27a vollständig ausgestoßen worden.
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Zu einem späteren, in 3d gezeigten Zeitpunkt befindet sich der Doppelkolben 23 auf dem Weg von seiner ersten Endstellung zur Neutralstellung, wohingegen das Ausgleichsgewicht 48 aus seiner Neutralstellung in Richtung seiner zweiten voll ausgelenkten Stellung bewegt worden ist. In dieser Stellung hat sich die erste Baugruppe 30 um einen Winkel von 135° zur Ausgangsstellung um die Antriebsachse A bewegt. Der Kolben 22a saugt nun über das Einlassventil 26a Kältemittel in den Hubraum 25a ein.
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In 3e ist die Hubkolbenmaschine 12 zu einem noch späteren Zeitpunkt gezeigt, wobei sich das Ausgleichsgewicht 48 nun wieder in einer voll ausgelenkten Stellung und der Doppelkolben 23 wieder in seiner Neutralstellung befindet. Die erste Baugruppe 30 und somit auch die Abtriebsachse B hat zu diesem Zeitpunkt einen Winkelbereich von 180° zurückgelegt.
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In den folgenden 3f bis h ist der Verlauf des Doppelkolbens 23 und der des Ausgleichsgewichts 48 punktsymmetrisch zur Antriebsachse A im Vergleich zu den 3b bis d.
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Generell geht aus den in den 3a bis h gezeigten Darstellungen hervor, dass sich der Massenschwerpunkt MM aller bewegten Teile dauerhaft auf der Antriebsachse A befindet. Dies wird über das Gewicht und die Anordnung des in den Darstellungen nicht gezeigten Massenschwerpunkts M6 der Zwischenwelle 40 bzw. der durch die Zwischenwelle 40 gebildeten Gegenbaugruppe relativ zum Massenschwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 erreicht sowie durch die ausgewuchtete Abtriebswelle 18, wodurch sich der Masssenschwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 stets auf der Abtriebsachse B befindet.
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Ferner wird deutlich, dass sich die erste Baugruppe 30 mit ihrem Massenschwerpunkt M5 auf einer exakten Kreisbahn K um den Schwerpunkt MM aller bewegten Teile bewegt, die gestrichelt eingezeichnet ist. Demnach bewegt sich auch die Abtriebsachse B auf der exakten Kreisbahn K um die Antriebsachse A.
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Die Schwerpunkte des Doppelkolbens 23 und des Ausgleichsgewichts 48 liegen dauerhaft auf einem die erste Baugruppe 30 repräsentierenden Kreis 54, der sich mit seinem Außenrand am Innenrand eines großen Kreises 56 abrollt, dessen Durchmesser der maximalen Auslenkung des Doppelkolbens 23 entspricht. Hierdurch ist gemäß Archimedes eine exakte Linearbewegung der Kolben 22 bzw. des Doppelkolbens 23 gewährleistet. Der Hubweg der Kolben 22 folgt dabei über die Zeit einer Sinusfunktion und ist somit optimal. Dadurch werden hochfrequente Schwingungsanregungen der Hubkolbenmaschine 12 vermieden, wodurch der Verdichter 10 eine besonders gute Akustik aufweist.
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Des Weiteren sind die Kippmomente an den Kolben 22 stark reduziert, da der relativ große Abstand der Kolben (in einer Linie auf dem Doppelkolben) die Hebelkräfte gering halten. Die für Hochdruck-Verdichter erforderlichen Fertigungstoleranzen können einfacher eingehalten werden. Dies wird auch dadurch ermöglicht, dass sämtliche, für die Effizienz des Verdichters 10 verantwortlichen Flächen rund ausgebildet sind.
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In den 4 bis 6 ist dargestellt, wie die einzelnen Wellen 16, 18, 40 über ihre jeweiligen Zahnkränzen bzw. Verzahnungen 32, 34, 36, 38 miteinander kämmen bzw. wie das Getriebe 46 ausgebildet ist.
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Die Wellen 16, 18, 40 kämmen derart miteinander, dass die Abtriebswelle 18 ohne Schlupf am Gehäuse 14 abrollen kann. Die Abtriebswelle 18 ist dadurch am Gehäuse 14 geführt, wodurch laterale Kräfte auf den Doppelkolben 23 vermieden werden.
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Über die Zahnkränze 32, 34 der Antriebs- und Abtriebswelle 16, 18 kann eine entsprechende individuelle Übersetzung der Drehzahl des Antriebs eingestellt werden, wobei dies vom Durchmesser und der Zahnanzahl der Zahnkränze 32, 34 abhängt. Beispielsweise ist es hierdurch möglich, dass die Antriebswelle 16 mit einem schnelldrehenden Elektromotor gekoppelt ist, wobei die Abtriebswelle 18 dennoch eine geringe Drehzahl aufweist, sodass der Doppelkolben 23 langsam und somit geräuscharm betrieben werden kann.
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In den 5 und 6 ist das Getriebe 46 sowie die Zwischenwelle 40 und die Abtriebswelle 18 detailliert dargestellt. In 5 sind die Zwischenwelle 40 und die Abtriebswelle 18 voneinander getrennt gezeigt, wohingegen die beiden Wellen 18, 40 in 6 im zusammengebauten Zustand gezeigt sind, um das Getriebe 46 auszubilden.
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Aus den 5 und 6 gehen insbesondere die Lager 42, 44 der Abtriebswelle 18 in der Zwischenwelle 40 hervor, die als Öffnungen in der Zwischenwelle 40 ausgebildet sind. Ferner sind die entsprechenden Ausgleichsgewichte 48, 52 der Abtriebswelle 18 und der Zwischenwelle 40 detailliert gezeigt.
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Das Übersetzungsverhältnis n kann wie folgt berechnet werden: n = 2· Anzahl Zähne der Antriebswelle 16 / Anzahl Zähne der Abtriebswelle 16 + 1
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Alternativ kann das Übersetzungsverhältnis n aufgrund der Radien berechnet werden, und zwar: n = 2· Radius des Kreises 54 der ersten Baugruppe 30 / Radius der Antriebswelle 16 – 1
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In 7 ist eine zweite Ausführungsform des Verdichters 10 gezeigt, dessen Hubkolbenmaschine 12 insoweit anders ausgebildet ist, als dass die Abtriebswelle 18 direkt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt ist und auch in der Antriebswelle 16 gelagert ist. Gemäß der zweiten Ausführungsform übernimmt somit die Antriebswelle 16 gleichzeitig die Funktion der Zwischenwelle 40.
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Die Antriebswelle 16 ist daher so ausgebildet, dass sie das Gegengewicht zur ersten Baugruppe 30 darstellt. Das bedeutet, dass die Antriebswelle 16 das Gegengewicht 52 aufweist, dessen Massenschwerpunkt M7 zusammen mit der Masse der Antriebswelle 16 den Massenschwerpunkt M6 der Gegenbaugruppe bildet. Die Antriebswelle 16 weist somit den zum Schwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 gegensätzlichen Massenschwerpunkt M6 auf, wodurch garantiert ist, dass sich der Massenschwerpunkt MM aller bewegten Teile stets auf der Antriebsachse A befindet.
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Der Massenschwerpunkt M5 der ersten Baugruppe 30 befindet sich weiterhin stets auf der Abtriebsachse B und läuft im Betrieb des Verdichters 10 kreisförmig um die Antriebsachse A.
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Ferner ist in der zweiten Ausführungsform eine besonders kompakte Ausführung gezeigt, da die Antriebswelle 16 die Motorwelle ist, die mit einem Rotor 58 gekoppelt ist, welcher von einem Stator 60 mit Wickelköpfen 61 angetrieben wird, die zusammen einen als Elektromotor ausgebildeten Antrieb 62 ausbilden, der im Gehäuse 14 aufgenommen ist. Die Abtriebswelle 18 erstreckt sich durch den Rotor 58 und ist in diesem gelagert.
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In der zweiten Ausführungsform ist eine besonders kompakte Ausführung des Verdichters 10 gezeigt, die jedoch keine Übersetzung aufweist. Dennoch können aufgrund der einfachen Ausbildung des Verdichters 10 Hochdruck-Kältemittel verwendet werden. Zudem ist die Effizienz gesteigert, da keine lateralen Kräfte auf die Kolben 22 wirken, da sich die Abtriebswelle 18 weiterhin am Gehäuse 14 bzw. der dort angeordneten Innenverzahnung 38 abrollt.
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Generell ist mit dem erfindungsgemäßen Verdichter 10 ein Verdichter geschaffen, der kompakt und zudem geräuscharm ausgebildet ist. Des Weiteren ist es mit dem Verdichter 10 möglich, Kältemittel zu verdichten, das besonders hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen, da der Aufbau des Verdichters 10 besonders einfach ist.
