DE10222657A1

DE10222657A1 - Fluidverdichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10222657A1
Application number: DE10222657A
Authority: DE
Inventors: Gui-Gwon Kim; Sung-Tae Lee; Kyung-Tae Jang
Original assignee: Samsung Gwangju Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: CN1221738C; JP2003193971A; AU4066802A; ITTO20020999A1; FR2833046B1; CN1423053A; KR20030045877A; KR100461233B1; BR0203857A; FR2833046A1; GB2384831B; MXPA02009807A; US20030103855A1; GB0226736D0; GB2384831A; US6702557B2; JP2006057640A; DE10222657B4; AU783477B2; CH696248A5

Abstract

Fluidverdichtungsvorrichtung zum Einziehen, Verdichten und Austragen eines Fluids mit einem Zylinderblock, der aufweist: eine Zylinderbohrung mit einem vorbestimmten Durchmesser, der den Zylinderblock in Längsrichtung durchdringt, eine Austragkammer mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung und wenigstens eine Fluidansaugöffnung, die in einer zur Zylinderbohrung im wesentlichen senkrechten Richtung in den Zylinderblock eindringt, wobei in dem Zylinderblock ein bestimmter Teil seines Raums, der mit der Austragkammer der Zylinderbohrung in Verbindung steht, als Fluidaustragöffnung verwendet wird, ferner mit einem Kolben, der in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks linear hin- und herbewegbar ist, mit einer Austragventilanordnung mit einer Ventilplatte, die so angeordnet ist, daß sie von der Austragkammer aus in Richtung auf die Fluidaustragöffnung elastisch vorgespannt wird, so daß sie die Fluidaustragöffnung des Zylinderblocks selektiv öffnen oder schließen kann, und mit einem an einem Ende der Austragkammer des Zylinderblocks angeordneten Zylinderkopf mit einem Fluidaustragkanal, der mit der Austragkammer in Verbindung steht. DOLLAR A Da der Kolben zum Öffnen und Schließen der Ansaugöffnung dient, während er in der Zylinderbohrung linear hin- und herbewegt wird, wird keine separate Ansaugventilanordnung benötigt. Da außerdem die Ventilplatte sich als Ergebnis des hohen Fluiddrucks in der Zylinderbohrung von der Austragöffnung entfernt und ...

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Fluidverdichtungsvorrichtung, insbesondere eine Fluidverdichtungsvorrichtung zum Austragen eines Fluids durch einen Verdichtungs- oder Pumpvorgang durch lineare Hin- und Herbewegung eines Kolbens.
Ein typisches Beispiel für eine herkömmliche Fluidverdichtungsvorrichtung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt, die im folgenden kurz beschrieben werden.
Fig. 1 und 2 zeigen Schnittansichten, aus denen schematisch die Struktur und die Funktion der herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung hervorgehen. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Zylinderblock, 20 einen Kolben, 30 eine Ventilplatte und 40 einen Zylinderkopf.
Wie Fig. 1 und 2 zeigen, besitzt der Zylinderblock 10 eine Zylinderbohrung 11 mit einem vorbestimmten Durchmesser, die den Zylinderblock 10 in Längs- oder longitudinaler Richtung durchdringt. Der Kolben 20 ist in der Zylinderbohrung 11 des Zylinderblocks 10 beweglich montiert, so daß er eine Hin- und Herbewegung ausführen kann. In der Ventilplatte 30 sind Fluidansaug-/-austragöffnungen 31 und 32 ausgebildet. Sie besitzt (gestrichelt dargestellte) Ansaug-/Austragventile 33 und 34, die die Fluidansaug-/-austragöffnungen 31 und 32 öffnen und schließen können. Der Zylinderkopf 40 ist an dem Zylinderblock 10 an der der Ventilplatte 30 benachbarten Längsseite angeordnet, und der Zylinderkopf 40 besitzt Fluidansaug-/- austragkammern 41 und 42, die jeweils mit den Fluidansaug-/-austragöffnungen 31 und 32 der Ventilplatte 30 in Verbindung stehen. Der Zylinderkopf 40 ist mit Fluidansaug-/-austragrohren 43 und 44 verbunden, die jeweils mit den Fluidansaug-/-austragkammern 41 und 42 des Zylinderkopfs 40 in Verbindung stehen.
Bei der in der oben beschriebenen Weise aufgebauten und in Fig. 1 und 2 dargestellten Fluidverdichtungsvorrichtung bewirkt eine von einer (nicht dargestellten) Kolbenantriebsquelle gelieferte Antriebskraft, daß der Kolben in der Zylinderbohrung 11 des Zylinderblocks 10 eine Hin- und Herbewegung ausführt, wodurch das Fluid eingezogen, verdichtet und ausgetragen wird.
Wenn der Kolben 20 sich von dem oberen Totpunkt T (Fig. 1) zu dem unteren Totpunkt B (Fig. 2) der Zylinderbohrung 11 bewegt, öffnet das Ansaugventil 33 aufgrund der unterschiedlichen Drücke innerhalb und außerhalb der Zylinderbohrung 11 die Ansaugöffnung 31der Ventilplatte 30 (wie in Fig. 2 in gestrichelten Linien dargestellt), so daß das Fluid nacheinander durch das Ansaugrohr 43, die Ansaugkammer 41 des Zylinderkopfs 40 und die Ansaugöffnung 31 der Ventilplatte 30 in die Zylinderbohrung 11 des Zylinderblocks 10 hineingezogen wird. Zu dieser Zeit ist der Druck in der Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40 höher als der Druck in der Zylinderbohrung 11, so daß das Austragventil 34 die Austragöffnung 32 geschlossen hält.
Wenn nun der Kolben 20 von dem unteren Totpunkt B (Fig. 2) zu dem oberen Totpunkt T (Fig. 1) zurückgeführt wird, wird das Fluid in der Zylinderbohrung 11 allmählich verdichtet. Wenn schließlich der Kolben 20 den oberen Totpunkt T erreicht, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, wird der Druck in der Zylinderbohrung 11 größer als der Druck in der Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40, so daß das Austragventil 34, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, die Austragöffnung 32 der Ventilplatte 30 öffnet und das verdichtete Fluid durch die Austragöffnung 32 der Ventilplatte 30, die Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40 und das Austragrohr 44 ausgetragen wird. Zu dieser Zeit ist der Druck in der Ansaugkammer 41 niedriger als der Druck in der Zylinderbohrung 11, so daß das Ansaugventil 33 die Ansaugöffnung 31 geschlossen hält.
Wenn dann der Kolben 20 zu dem unteren Totpunkt B zurückbewegt wird, öffnet das Ansaugventil 33 die Ansaugöffnung 31, während die Austragöffnung 32 von dem Austragventil 34 geschlossen wird. Deshalb wird das Fluid in die Zylinderbohrung 11 hineingezogen. Wenn dann der Kolben 20 zu dem oberen Totpunkt T bewegt wird, wird die eingezogene Luft verdichtet und dann durch die Austragöffnung 32 ausgetragen. Wenn diese Hin- und Herbewegung des Kolbens 20 wiederholt wird, wiederholt sich auch das Verdichten und Austragen des Fluids in dem oben beschriebenen Zyklus.
Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung wird jedoch das verdichtete Fluid oft nur unvollständig ausgetragen, so daß ein wenig restliches Fluid in der Austragöffnung 32 der Ventilplatte 30 zurückbleibt. Dieses restliche Fluid expandiert wieder während des Fluidansaugvorgangs, bei dem der Kolben 20 von dem oberen Totpunkt T zu dem unteren Totpunkt B bewegt wird. Das Problem tritt zu Anfang des Fluidansaugvorgangs auf, wenn der Kolben 20 in Richtung auf den unteren Totpunkt B bewegt wird. Das heißt, durch das Vorhandensein des wieder expandierenden restlichen Fluids ist der Druck in der Zylinderbohrung 1 l anfänglich höher als der Druck in der Ansaugkammer 41, obwohl der Druck in der Zylinderbohrung 11 niedriger ist als der Druck in der Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40. Deshalb findet zu Beginn der Hubbewegung des Kolbens 20 in Richtung auf den unteren Totpunkt B kein Ansaugen statt. Das Ansaugventil 33 wird geöffnet, um das frische Fluid einzuziehen, wenn der Druck in der Zylinderbohrung 11 kleiner wird als der Druck in der Ansaugkammer 41. Dies geschieht jedoch erst dann, wenn der Kolben 20genügend lange in Richtung auf den unteren Totpunkt B bewegt wird. Mit anderen Worten, bei der Fluidverdichtung und -austragung in der herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung verursacht das restliche Fluid ein totes Volumen in der Zylinderbohrung 11, wodurch ein bestimmter Raum in der Zylinderbohrung 11 der Verfügbarkeit entzogen wird. Dementsprechend nimmt die eingezogene Fluidmenge ab, und die Pumpeffizienz verschlechtert sich erheblich.
Außerdem ist das herkömmliche Gerät aufgrund der komplizierten Struktur des Ansaugventils 33 und des Austragventils 34 zum Öffnen/Schließen der Fluidansaugöffnung 31 bzw. der Fluidaustragöffnung 32 schwierig zusammenzubauen, so daß die Produktivität abnimmt und die Herstellkosten erheblich ansteigen.

Die vorliegende Erfindung entstand aus dem Bestreben, die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu überwinden. Es ist dementsprechend ein Ziel der Erfindung, eine Fluidverdichtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der die Pumpeffizienz verbessert wird, indem das verdichtete Fluid vollständig aus der Bohrung ausgetragen und so das tote Volumen in der Zylinderbohrung minimiert wird.

Ein weiteres Ziel besteht darin, eine Fluidverdichtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, das eine einfache Struktur besitzt und leicht zusammenzubauen ist, und dadurch die Produktivität zu erhöhen und die Herstellkosten zu verringern, indem für das Öffnen und Schließen einer Fluidansaugöffnung ein Kolben benutzt wird, so daß keine separate Ansaugventilvorrichtung vorzusehen ist. Außerdem soll die Austragventilvorrichtung eine vereinfachte Struktur haben.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch eine Fluidverdichtungsvorrichtung zum Einziehen, Verdichten und Austragen eines Fluids mit einem Zylinderblock, der aufweist: eine Zylinderbohrung mit einem vorbestimmten Durchmesser, der den Zylinderblock in Längsrichtung durchdringt, eine Austragkammer mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung und wenigstens eine Fluidansaugöffnung, die in einer zur Zylinderbohrung im wesentlichen senkrechten Richtung in den Zylinderblock eindringt, wobei in dem Zylinderblock ein bestimmter Teil seines Raums, der mit der Austragkammer der Zylinderbohrung in Verbindung steht, als Fluidaustragöffnung verwendet wird, ferner mit einem Kolben, der in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks linear hin- und herbewegbar ist, mit einer Austragventilanordnung mit einer Ventilplatte, die so angeordnet ist, daß sie von der Austragkammer aus in Richtung auf die Fluidaustragöffnung elastisch vorgespannt wird, so daß sie die Fluidaustragöffnung des Zylinderblocks selektiv öffnen oder schließen kann, und mit einem an einem Ende der Austragkammer des Zylinderblocks angeordneten Zylinderkopf mit einem Fluidaustragkanal, der mit der Austragkammer in Verbindung steht.

Gemäß vorliegender Erfindung wird das Fluid eingezogen, wenn die Fluidansaugöffnung durch die lineare Hin- und Herbewegung des Zylinders in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks selektiv geöffnet wird, und ausgetragen, wenn die Fluidaustragöffnung durch die Ventilplatte geöffnet wird, die durch den von der Hin- und Herbewegung des Kolbens verursachten hohen Druck des Fluids in der Zylinderbohrung von der Fluidaustragöffnung gelöst wird. Da Ansaugventile mit ihrer komplizierten Struktur entfallen, wird der Zusammenbau erleichtert und die Produktivität verbessert, und die Herstellkosten werden verringert. Da das in der Zylinderbohrung verdichtete Hochdruckfluid durch die Fluidaustragöffnung vollständig ausgetragen wird, kann ein totes Volumen in der Zylinderbohrung vermieden oder minimiert werden, so daß die Verdichtungseffizienz verbessert wird.

In der Fluidverdichtungsvorrichtung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich der obere Totpunkt des Kolbens geringfügig hinter dem äußersten Ende der Zylinderbohrung, so daß das in der Zylinderbohrung verdichtete Fluid vollständig ausgetragen wird, wenn der Kolben die Ventilplatte berührt.

Die Fluidansaugöffnung liegt in der Nähe des unteren Totpunkts des Kolbens, d. h. in der Nähe des äußersten Endpunkts der Kolbenbewegung, so daß die Fluidansaugöffnung augenblicklich geöffnet wird, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, und das Fluid rasch durch die geöffnete Fluidansaugöffnung eingezogen wird.

Die Austragventilanordnung umfaßt die Ventilplatte, die so angeordnet ist, daß sie von der Fluidaustragöffnung des Zylinderblocks gelöst und frei verschoben werden kann, wobei die Ventilplatte einen ersten Vorsprung aufweist, der etwa im Zentrum einer Seite ausgebildet ist, ferner eine Trägerplatte, die in der Austragkammer des Zylinderblocks in einem vorbestimmten Abstand von der Ventilplatte angeordnet ist, wobei die Trägerplatte einen zweiten Vorsprung besitzt, der auf einer Seite ausgebildet ist, die im wesentlichen dem ersten Vorsprung entspricht, wobei um den zweiten Vorsprung mehrere Fluiddurchgänge angebracht sind, und ein Federglied, das zwischen der Ventilplatte und der Trägerplatte angeordnet ist, um die Ventilplatte in Richtung auf die Fluidaustragöffnung elastisch vorzuspannen.

Der Zylinderblock hat eine kreisrunde oder rechteckige Außenstruktur. Es können zwei Fluidansaugöffnungen an dem Zylinderblock vorgesehen sein, die diametral einander gegenüberliegen können. Alternativ können auch mehr als zwei Fluidansaugöffnungen an dem Zylinderblock vorgesehen sein, die in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

Die Fluidansaugöffnung kann kegelförmig sein oder eine zweistufige Struktur haben, bestehend aus einem Teil mit größerem Durchmesser und einem Teil mit kleinerem Durchmesser, oder sie kann aus einer Kombination aus der kegelförmigen und der zweistufigen Struktur bestehen.

Die Fläche der Fluidansaugöffnung, durch die das Fluid eingezogen wird, wird vorzugsweise durch Wegschneiden wenigstens eines bestimmten Teils des Zylinderblocks erweitert, so daß das Fluid effizienter eingezogen werden kann.

Die oben beschriebenen Ziele und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die auf die anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt.
Fig. 1 und 2 zeigen Schnittansichten, in denen die Struktur und die Wirkungsweise einer herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung schematisch dargestellt sind,
Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer Fluidverdichtungsvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 bis 7 zeigen Schnittansichten, aus denen die Struktur und Funktion der Fluidverdichtungsvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervorgehen,
Fig. 8A bis 8G zeigen Querschnitts- und perspektivische Ansichten verschiedener Ausführungsbeispiele des Zylinderblocks und der Fluidansaugöffnung der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Zylinderblocks und der Fluidansaugöffnung der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Im folgenden wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung einer Fluidverdichtungsvorrichtung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 4 bis 7 zeigen Schnittansichten zur Erläuterung der Struktur und Arbeitsweise der Fluidverdichtungsvorrichtung von Fig. 3.
Wie Fig. 3 bis 7 zeigen, besitzt die Fluidverdichtungsvorrichtung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Zylinderblock 100, einen Kolben 200, eine Austragventilanordnung 300 und eine Zylinderkopf 400.
Der Zylinderblock 100 enthält eine Zylinderbohrung 110 mit einem vorbestimmten Durchmesser, die den Zylinderblock 100 in Längsrichtung durchdringt, ferner eine Austragkammer 120, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung 110, und wenigstens eine Fluidansaugöffnung 130, die in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der Zylinderbohrung 110 in den Zylinderblock 100 dringt. Der Raum, der mit der Austragkammer 120 in der Zylinderbohrung 110 in Verbindung steht, dient als Austragöffnung 140 für das verdichtete Fluid.
Der Zylinderblock 100 kann eine zylindrische Außenstruktur haben, wie dies in Fig. 8A bis 8 G dargestellt ist, oder eine rechteckige Außenstruktur, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Die Gestalt des Zylinderblocks 100 kann irgendeine praktische Form annehmen. Mit anderen Worten, die Form der Außenstruktur des Zylinderblocks 100 ist nicht auf die hier dargestellten beschriebenen Formen beschränkt.
Wie am besten aus Fig. 3 erkennbar ist, hat die Austragkammer 120 eine zweistufige Struktur, in der nebeneinander getrennte Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet sind. Sie ist jedoch nicht streng auf diese Struktur beschränkt, vielmehr sind auch geeignete Modifizierungen möglich. So können z. B. einige der Abschnitte einen gleichförmigen Durchmesser haben, wie dies z. B. in Fig. 8D dargestellt ist.
Obwohl die Fluidansaugöffnung 130 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel senkrecht zu der in Längsrichtung verlaufenden Zylinderbohrung 110 ausgebildet ist, ist diese Struktur nicht streng auf das dargestellte Ausführungsbeispiel allein beschränkt. Falls es für die gewünschte Durchflußrate und Struktur vorteilhafter ist, kann die Fluidansaugöffnung 130 auch einen bestimmten Winkel (einschließlich spitzer und stumpfer Winkel) mit der Zylinderbohrung 110 bilden.
Der Kolben 200 ist so angeordnet, daß er in der Zylinderbohrung 110 des Zylinderblocks 100 linear hin- und herbewegt werden kann. Durch die von einer (nicht dargestellten) separaten Antriebsquelle gelieferte Antriebskraft wird der Kolben 200 in der Zylinderbohrung 110 linear hin- und herbewegt, wodurch das Fluid eingezogen und verdichtet wird. Um die Belastung auf den Kolben 200 zu reduzieren, ist der Kolben 200 als Hohlzylinder ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung.
Die Austragventilanordnung 300 wird von der Austragkammer 120 des Zylinderblocks 100 aus in Richtung auf die Fluidaustragöffnung 140 elastisch vorgespannt, um die Fluidaustragöffnung 140 des Zylinderblocks 100 selektiv zu öffnen oder zu schließen. Die Austragventilanordnung 300 besitzt eine Ventilplatte 310, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Fluidaustragöffnung 140.
Die Ventilplatte 310 ist so gelagert, daß sie nicht streng in der Bohrung 110 haftet, sondern relativ zu der Fluidaustragöffnung 140 gleiten kann. Die Ventilplatte 310 hat einen ersten Vorsprung 311, der etwa im Zentrum der Rückseite ausgebildet ist, die der der Austragöffnung 140 zugewandten Seite entgegengesetzt ist. Außerdem besitzt die Austragventilanordnung 300 eine Trägerplatte 320, die an dem rückseitigen Ende der Austragkammer 120 in einem vorbestimmten Abstand von der Ventilplatte 310 angeordnet ist, sowie ein Federglied 330, das zwischen der Ventilplatte 310 und der Trägerplatte 320 angeordnet ist und die Ventilplatte 310 in Richtung auf die Fluidaustragöffnung 140 elastisch vorspannt. Deshalb wird die Ventilplatte 310 in engen Kontakt mit der Fluidaustragöffnung 140 gedrückt und dadurch die Fluidaustragöffnung 140 geschlossen, wenn in der Zylinderbohrung 110 kein Druck herrscht, d. h. während des Fluidansaugvorgangs. Wenn dann die Zylinderbohrung 110 einem wachsenden Druck ausgesetzt ist, d. h. während des Fluidverdichtungsvorgangs, überwindet die Ventilplatte 310 den Widerstand des Federglieds 330, und als Ergebnis des hohen Fluiddrucks in der Zylinderbohrung 110 löst sich das Federglied 330 von der Fluidaustragöffnung 140 und gibt diese frei, so daß das Fluid ausströmen kann.
Die Trägerplatte 320 besitzt einen zweiten Vorsprung 321, der etwa in ihrem Zentrum ausgebildet ist und dem ersten Vorsprung 311 entspricht und diesem gegenüberliegt. Um den zweiten Vorsprung 321 sind vorzugsweise drei oder mehr Fluiddurchgänge 322 ausgebildet, die einen vorbestimmten Abstand voneinander haben und in einer radialen Richtung angeordnet sein können. Die Trägerplatte 320 kann an der Austragkammer 120 des Zylinderblocks 100 durch geeignete Befestigungsmittel, z. B. durch Schrauben oder Schweißen, befestigt sein.
Das Federglied 330 kann aus einer Druckschraubenfeder bestehen. Wenn eine Druckschraubenfeder benutzt wird, ist diese Feder mit ihren beiden Enden um den ersten und den zweiten Vorsprung 311 und 321 an der Ventilplatte 310 bzw. der Trägerplatte 322 angeordnet und wird von diesen gehalten. Statt einer Druckschraubenfeder kann auch ein Federglied anderer Art benutzt werden, z. B. eine Federscheibe oder auch ein magnetischer Rückholmechanismus.
Der Zylinderkopf 400 ist am Ende der Austragkammer 120 des Zylinderblocks 100 angeordnet und besitzt einen Fluidaustragkanal 410, der vorzugsweise im Zentrum ausgebildet ist und mit der Austragkammer 120 in Verbindung steht. Bezüglich der Gestalt oder Struktur für die Ausbildung des Zylinderkopfs 400 besteht keine zwingende Vorschrift. Ein Verbindungsmittel, z. B. eine Schraube, dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Verbinden des Zylinderkopfs 400 mit der Kammer 120.
Wie in jeder der Fig. 3 bis 7 dargestellt ist, bildet ein Fluidansaugrohr 500 ein Mittel zum Einführen von frischem Fluid in die Komprimiervorrichtung.
Bei der in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Fluidkomprimiervorrichtung gemäß der Erfindung wird die Fluidansaugöffnung 130 von dem Kolben 200, der in der Zylinderbohrung 110 eine lineare Hin- und Herbewegung ausführt, selektiv geöffnet. Durch das Vakuum, das sich in der Zylinderbohrung 110 entwickelt, wird das Fluid rasch eingezogen, und durch den hohen Druck des Fluids, der sich in der Zylinderbohrung 110 entwickelt, verschiebt sich die Ventilplatte 310, so daß sie sich von der Fluidaustragöffnung 140 löst und dadurch die Fluidaustragöffnung 140 öffnet und ein vollständiges Austragen des Fluids ermöglicht.
Das Merkmal und die Struktur, die den besonderen Effekt der vorliegenden Erfindung ermöglichen, bestehen darin, daß, wie in Fig. 4 dargestellt, der obere Totpunkt T des Kolbens 200 geringfügig hinter dem äußersten Ende der Zylinderbohrung 110 liegt. Dementsprechend besteht der erste besondere Effekt der Erfindung darin, daß das verdichtete Fluid in der Zylinderbohrung 110 vollständig ausgetragen wird, wenn der Kolben 200 die Ventilplatte 310 berührt und in Längsrichtung verschiebt. Anders als bei dem herkömmlichen Verdichter macht es die Struktur gemäß vorliegender Erfindung möglich, daß kein restliches Fluid in der Zylinderbohrung 110 verbleibt, so daß totes Volumen verhindert oder minimiert wird.
Das Merkmal und die Struktur, die den zweiten einzigartigen Effekt der Erfindung ermöglichen, bestehen darin, daß die Fluidansaugöffnung 130 geringfügig vor dem äußersten hinteren Endpunkt der Zylinderbohrung 110, d. h. vor dem von dem Kolben 200 erreichten unteren Totpunkt B vorgesehen ist, und daß der Kolben 200 dazu dient, die Fluidansaugöffnung 130 selektiv zu öffnen, während er in der Zylinderbohrung 110 hin- und herbewegt wird, so daß die Notwendigkeit entfällt, eine separate Ansaugventilanordnung zu benutzen. Wenn der Kolben 200 den unteren Totpunkt B erreicht, wird die Fluidansaugöffnung 130 plötzlich geöffnet, und es wird rasch frisches Fluid in die Zylinderbohrung 110 eingezogen, da in ihr ein Vakuumzustand herrscht. Da auf die Benutzung einer komplizierten Ansaugventilanordnung verzichtet werden kann, wird die Struktur vereinfacht. Da das Fluid rasch eingezogen wird, ergibt sich außerdem ein Kühleffekt für den Zylinderblock 100.
Da bei der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung das Fluid durch die Fluidansaugöffnung 130 eingezogen wird, wenn die Fluidansaugöffnung 130 durch die Bewegung des Kolbens 200 plötzlich geöffnet wird, kann die eingezogene Fluidmenge mitunter unzureichend sein. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache können bei einigen Ausführungsbeispiele der Erfindung wenigstens zwei Fluidansaugöffnungen 130 und 130' vorgesehen sein, die in diametral entgegengesetzten Positionen in dem Zylinderblock 100 angebracht sind und das Einziehen von größeren Fluidmengen ermöglichen (siehe Fig. 8A bis 8 G).
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 8A dargestellt ist, sind die Fluidansaugöffnungen 630 und 630' kegelförmig und haben einen von der Außenseite zur Innenseite des Zylinderblocks 600 allmählich abnehmenden Durchmesser. Alternativ können die Fluidansaugöffnungen 730 und 730' zweistufig ausgebildet sein mit einem Teil 732 mit größerem Durchmesser und einem Teil 734 mit kleinerem Durchmesser, wie dies in Fig. 8B dargestellt ist. Es ist auch möglich, die eine Fluidansaugöffnung 830 als zweistufige Struktur mit einem Teil 832 mit größerem Durchmesser und einem Teil 834 mit kleinerem Durchmesser auszubilden, während die andere Fluidansaugöffnung 430' als Bohrung 836 mit vorbestimmten Durchmesser ausgebildet ist, wie dies in Fig. 8C dargestellt ist.
Es können auch beide Fluidansaugöffnungen 930 und 930' als Bohrungen 932 mit vorbestimmten Durchmessern ausgebildet sein, wie dies in Fig. 8C dargestellt ist.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mehrere Fluidansaugöffnungen 1030 über den ganzen Außenumfang des Zylinderblocks 1000 verteilt, um eine größere Fläche zum Einziehen des Fluids zur Verfügung zu haben, wie dies in Fig. 8G dargestellt ist.
Alternativ wird die Fläche 1130 zum Einziehen des Fluids verbreitert, indem ein bestimmter Teil des Zylinderblocks 1100 weggeschnitten wird, wie dies in Fig. 8E dargestellt ist. Fig. 8F zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Aussparung 1228 mit einer vorbestimmten Breite und einer vorbestimmten Tiefe am Außenumfang des Zylinderblocks 1200 vorgesehen ist und in dieser Aussparung mehrere Fluidansaugöffnungen 1230 in vorbestimmtem Abstand voneinander angebracht sind.
Fig. 9 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Zylinderblock 1300 nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt, wie in Fig. 9 dargestellt, eine rechteckige Außenstruktur und Fluidansaugöffnungen 1330 und 1330', die in einer oder zwei Aussparungen angebracht sind, die in dem rechteckigen Zylinderblock 1300 ausgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche für die Fluidansaugöffnungen vergrößert, so daß das Einziehen von Fluid in die Zylinderbohrung effizienter wird.
Im folgenden wird anhand von Fig. 4 bis 7 die Arbeitsweise des Fluidverdichtergeräts gemäß der Erfindung, das den oben beschriebenen Aufbau hat, allgemein beschrieben. Obwohl die Arbeitsweise nur eines Ausführungsbeispiels dargestellt und beschrieben ist, gilt ähnliches für die Arbeitsweise der anderen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Fig. 4 zeigt den Zustand, in dem der Kolben 200 in der Zylinderbohrung 110 vollständig zu dem unteren Totpunkt B verschoben ist. Wenn der Kolben 200 zu dem unteren Totpunkt B verschoben ist, ist die Fluidansaugöffnung 130, die von dem Kolben 200 verschlossen war, wie in Fig. 4 dargestellt, geöffnet, so daß das Fluid in die Zylinderbohrung 110 einströmen kann. Die Fluidaustragöffnung 140 der Zylinderbohrung 110 wird geschlossen, wenn der Kolben 200 seine Bewegung von dem oberen Totpunkt T zu dem unteren Totpunkt B beginnt. Wenn die Fluidaustragöffnung 140 der Zylinderbohrung 110 geschlossen ist und auch die Fluidansaugöffnung 130 von dem Kolben 200 verschlossen ist, wird in der Zylinderbohrung 110 ein Vakuum erzeugt, wenn der Kolben 200 von der (nicht dargestellten) externen Antriebsquelle zwangsweise zu dem unteren Totpunkt B bewegt wird. Die Ansaugkraft wird umso größer, je mehr sich der Kolben 200 dem unteren Totpunkt B nähert. Wenn dann der Kolben 200 schließlich den unteren Totpunkt B erreicht und die Fluidansaugöffnung 130 freigibt, wird das Fluid durch die Fluidansaugöffnung 130 schnell in die Zylinderbohrung 110 eingezogen.
Fig. 5 zeigt, wie sich der Kolben 200 nach der Rückkehr zu dem unteren Totpunkt B in Richtung auf den oberen Totpunkt T bewegt und dabei das in die Zylinderbohrung 110 eingezogene Fluid verdichtet. Wenn sich der Kolben 200 bewegt, wird die Fluidansaugöffnung 130 verschlossen, und durch die Rückstellkraft des Federglieds 330, das auf der entgegengesetzten Seite der Ventilplatte 310 angeordnet ist, hält die Ventilplatte 310 engen Kontakt mit der Fluidaustragöffnung 140 und verschließt so die Fluidaustragöffnung 140. Während die Fluidansaugöffnung 130 und die Fluidaustragöffnung 140 geschlossen sind, wird das eingezogene Fluid allmählich verdichtet, wenn der Kolben 200 zwangsweise zu dem oberen Totpunkt T bewegt wird.
Fig. 6 zeigt den Kolben 200 in der Position, in der er den oberen Totpunkt T erreicht. Das zuvor in die Zylinderbohrung 110 eingezogene Fluid wird allmählich verdichtet, wenn der Kolben 200 sich näher an einen bestimmten Punkt bewegt. Wenn der Kolben 200 dann den Totpunkt T erreicht, bewirkt das Ungleichgewicht zwischen dem Fluiddruck und der Rückstellkraft des Federglieds 330, das die Ventilplatte 310 elastisch vorspannt (d. h. der Fluiddruck ist größer als die Rückstellkraft des Federglieds), daß die Ventilplatte 310 sich von der Fluidaustragöffnung 140 löst und verschoben wird, so daß das unter hohem Druck stehende Fluid durch die geöffnete Fluidaustragöffnung 140 vollständig aus der Zylinderbohrung 110 in die Austragkammer 120 ausgetragen wird. Der Kolben 200 kommt in dem Augenblick mit der Ventilplatte 310 in Kontakt, in dem die letzte Fluidmenge gerade ausgetragen wird. Die letzte Menge des unter höherem Druck stehenden Fluids bildet einen Puffer gegen die Kollision des Kolbens 200 mit der Ventilplatte 310, bevor sie endgültig in die Austragkammer 120 ausgetragen wird, wenn der Kolben 200 das äußerste Ende der Zylinderbohrung 110 überschreitet und den oberen Totpunkt T erreicht. Da sich kein restliches Fluid in der Zylinderbohrung 110 befindet, nachdem der Kolben 200 den oberen Totpunkt T erreicht hat, bleibt im Idealfall kein totes Volumen in der Zylinderbohrung 110.
Fig. 7 zeigt den Kolben 200 bei der Rückkehr von dem oberen Totpunkt T in Richtung auf den unteren Totpunkt B nach der Verdichtung des Fluids. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird die Ventilplatte 310 fast gleichzeitig mit der Bewegung des Kolbens 200 in Richtung auf den unteren Totpunkt B von dem Federglied 330 wieder in engen Kontakt mit der Fluidaustragöffnung 140 gedrückt, so daß die Fluidaustragöffnung 140 geschlossen wird. Die Fluidansaugöffnung 130 wird ebenfalls von dem Kolben 200 verschlossen. Wenn sich der Kolben 200 dem unteren Totpunkt B nähert, wächst das Vakuums in der Zylinderbohrung 110 in dem Grad, in dem das durch die Wände der Zylinderbohrung 110 und die Stirnwand des Kolbens 200 begrenzte Volumen zunimmt. Wenn der Kolben 200 dann den unteren Totpunkt B erreicht, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wird die Fluidansaugöffnung 130 geöffnet, so daß durch die Saugkraft des Vakuums in der Zylinderbohrung 110 rasch frisches Fluid durch die Fluidansaugöffnung 130 in die Zylinderbohrung 110 eingezogen wird. Das Verdichten und Einziehen des Fluids wiederholt sich sequentiell, so daß das Fluid kontinuierlich eingezogen, verdichtet und ausgetragen wird.
Das Fluidkomprimiergerät, das das Fluid (im vorliegenden Beispiel Gas) einzieht und zu hohem Druck verdichtet und das Hochdruckfluid austrägt, dient als spezielles Beispiel. Der einschlägige Fachmann erkennt, daß die vorliegende Erfindung auch bei einer Fluidpumpapparatur, z. B. einer Pumpe, benutzt werden kann.
Da gemäß der Erfindung, wie oben beschrieben, kein verdichtetes Hochdruckfluid in der Zylinderbohrung 110 verbleibt, wird das tote Volumen in der Zylinderbohrung minimiert. Deshalb erreicht man eine höhere Verdichtungseffizienz, so daß die Kühl- oder Gefriereffizienz erheblich zunimmt, wenn die Erfindung bei dem Kompressor eines Kühlgeräts oder einer Klimaanlage benutzt wird.
Außerdem können erfindungsgemäß die Ansaugventile mit ihrer komplizierten Struktur entfallen, und das Austragventil gemäß der Erfindung hat eine einfache Konstruktion. Deshalb wird die Struktur des Verdichters vereinfacht, und der Zusammenbau des Verdichters wird erleichtert, was zu einer verbesserten Produktivität und zu einer Verringerung der Herstellkosten führt.
Da das Ansaugventil erfindungsgemäß entfällt und die Funktion des Austragventils verbessert wird, wird das Geräusch, das bei herkömmlichen Verdichtern durch das Schlagen des Ventils verursacht wird, verhindert. Deshalb arbeitet der Verdichter leiser.
Die Erfindung ermöglicht also einen Verdichter für eine Pumpe mit hoher Verdichtungseffizienz und großer Zuverlässigkeit und einfachem Aufbau, der leichter und kostengünstiger zusammenzubauen ist und höhere Produktivität aufweist.
Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben. Der einschlägige Fachmann erkennt, daß verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten möglich sind, ohne daß damit der in den anliegenden Ansprüchen definierte Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Fluidverdichtungsvorrichtung zum Einziehen, Verdichten und Austragen eines Fluids mit einem Zylinderblock, der aufweist:
eine Zylinderbohrung mit einem vorbestimmten Durchmesser, der den Zylinderblock in Längsrichtung durchdringt,
eine Austragkammer mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung und
wenigstens eine Fluidansaugöffnung, die in einer zur Zylinderbohrung im wesentlichen senkrechten Richtung in den Zylinderblock eindringt,
wobei in dem Zylinderblock ein bestimmter Teil seines Raums, der mit der Austragkammer der Zylinderbohrung in Verbindung steht, als Fluidaustragöffnung verwendet wird,
ferner mit einem Kolben, der in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks linear hin- und herbewegbar ist,
mit einer Austragventilanordnung mit einer Ventilplatte, die so angeordnet ist, daß sie von der Austragkammer aus in Richtung auf die Fluidaustragöffnung elastisch vorgespannt wird, so daß sie die Fluidaustragöffnung des Zylinderblocks selektiv öffnen oder schließen kann,
und mit einem an einem Ende der Austragkammer des Zylinderblocks angeordneten Zylinderkopf mit einem Fluidaustragkanal, der mit der Austragkammer in Verbindung steht,
wobei die Zylinderbohrung das Fluid aufnimmt, das eingezogen wird, wenn die Fluidansaugöffnung durch den Kolben selektiv geöffnet wird, der innerhalb der Zylinderbohrung linear hin- und herbewegt wird,
und wobei das Fluid durch die geöffnete Fluidaustragöffnung ausgetragen wird, wenn die Ventilplatte durch den von dem hin- und herbewegten Kolben verursachten hohen Druck des Fluids in der Zylinderbohrung von der Fluidaustragöffnung wegbewegt wird.

2. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kolben zu einem geringfügig hinter dem äußersten Endpunkt der Zylinderbohrung liegenden oberen Totpunkt des Kolbens bewegt wird und dadurch das in der Zylinderbohrung verdichtete Fluid vollständig ausgetragen wird, wenn der Kolben die Ventilplatte berührt.

3. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Fluidansaugöffnung in der Nähe des unteren Totpunkts an einem äußersten Endpunkt für die Bewegung des Kolbens liegt, so daß die Fluidansaugöffnung augenblicklich geöffnet wird, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, und Fluid rasch durch die geöffnete Fluidansaugöffnung eingezogen wird.

4. Fluidkomprimiergerät nach Anspruch 1, bei der die Austragventilanordnung aufweist:
die Ventilplatte, die so angeordnet ist, daß sie von der Fluidaustragöffnung des Zylin derblocks getrennt werden und frei gleiten kann, wobei die Ventilplatte einen erster Vorsprung aufweist, der etwa im Zentrum einer Seite ausgebildet ist,
eine Trägerplatte, die in der Austragkammer des Zylinderblocks in einem vorbestimmten Abstand von der Ventilplatte angeordnet ist, wobei die Trägerplatte einen zweiten Vorsprung besitzt, der auf einer Seite ausgebildet ist, die im wesentlichen dem ersten Vorsprung entspricht, und wobei um den zweiten Vorsprung mehrere Fluiddurchgänge angebracht sind,
und ein Federglied, das zwischen der Ventilplatte und der Trägerplatte angeordnet ist, um die Ventilplatte in Richtung auf die Fluidaustragöffnung elastisch vorzuspannen.

5. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Federglied aus einer Schraubendruckfeder besteht.

6. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Zylinderblock eine kreisrunde Außenstruktur hat.

7. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der in dem Zylinderblock mehrere Fluidansaugöffnungen vorgesehen sind, die einander diametral gegenüberliegen.

8. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Fluidansaugöffnung kegelförmig ist und einen, gemessen an radialen Positionen von der Außenseite zur Innenseite des Zylinderblocks, allmählich abnehmenden Durchmesser hat.

9. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Fluidansaugöffnung zweistufig ausgebildet ist und aus einem Teil mit großem Durchmesser und einem Teil mit kleinem Durchmesser besteht.

10. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der eine der Fluidansaugöffnungen zweistufig ausgebildet ist und aus einem Teil mit großem Durchmesser und einem Teil mit kleinerem Durchmesser besteht, während die andere der beiden Fluidansaugöffnungen kegelförmig ist und einen von außen nach innen allmählich abnehmenden Durchmesser hat.

11. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der mehrere Fluidansaugöffnungen vorgesehen sind, die entlang einer Umfangslinie des Zylinderblocks in vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

12. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Fluidansaugöffnung als Boh rung mit einem vorbestimmten Durchmesser ausgebildet ist.

13. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Zylinderblock eine Aussparung mit einer vorbestimmten Breite und einer vorbestimmten Tiefe aufweist, der entlang einer äußeren Umfangslinie des Zylinderblocks ausgebildet ist, wobei in dieser Aussparung mehrere Fluidansaugöffnungen ausgebildet sind, die aus Bohrungen mit einem vorbestimmten Durchmesser bestehen, welche in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

14. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Fläche der Fluidansaugöffnung zum Einziehen des Fluids durch Wegschneiden eines bestimmten Teils des Zylinderblocks erweitert ist.

15. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der wenigstens zwei Fluidansaugöffnungen vorgesehen sind, die an diametral entgegengesetzten radialen Seiten des Zylinderblocks ausgebildet sind.

16. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Zylinderblock eine rechteckige Außenstruktur besitzt.

17. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Fläche der Fluidansaugöffnung zum Einziehen des Fluids durch eine Aussparung auf wenigstens einer Seite des Zylinderblocks verbreitert ist.

18. Fluidverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der wenigstens zwei Fluidansaugöffnungen vorgesehen sind, die an diametral entgegengesetzten radialen Seiten des Zylinderblocks ausgebildet sind.