DE10222846B4

DE10222846B4 - Vorrichtung zur Fluidverdichtung

Info

Publication number: DE10222846B4
Application number: DE10222846A
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: 2002-05-23
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: FR2833047B1; AU783588B2; BR0203853A; ITTO20020998A1; FR2833047A1; GB2384832A; GB0226738D0; JP2003172260A; KR20030045876A; KR100461232B1; AU4066902A; CN1423054A; DE10222846A1; MXPA02009808A; US20030103854A1; GB2384832B; CH696249A5; US6755630B2; JP3730180B2; CN1216235C

Abstract

Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids
mit einem Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung, die einen vorgegebenen Durchmesser hat und den Zylinderblock in Längsrichtung durchdringt, wenigstens einer Fluidansaugöffnung, die in einer die Zylinderbohrung schneidenden Richtung eindringt, und wenigstens zwei schlitzförmigen Fluidaustragöffnungen mit je einer Öffnung, die an einem Endbereich der Zylinderbohrung ausgebildet sind,
mit einem Kolben, der in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks hin- und herbewegbar ist,
mit einer Austragventilanordnung, die in der Zylinderbohrung beweglich angeordnet ist, um die Fluidaustragöffnungen des Zylinderblocks selektiv zu öffnen und zu schließen, wobei die Austragventilanordnung einen Ventilkolben besitzt, der einen Flansch aufweist, um die Bewegung der Austragventilanordnung in Richtung auf den Kolben zu begrenzen,
und mit einem Zylinderkopf zur Bildung einer Austragkammer, die mit den Fluidaustragöffnungen des Zylinderblocks in Verbindung steht, indem sie mit dem Zylinderblock verbunden ist,
wobei das Fluid eingezogen wird, wenn die Fluidansaugöffnung von dem in der Zylinderbohrung hin- und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichtungsvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Verdichten, Pumpen und Austragen eines Fluids durch lineare Hin- und Herbewegung eines Kolbens.

Ein typisches Beispiel für ein herkömmliches Gerät zum Verdichten eines Fluids ist in 1 und 2 dargestellt.

1 und 2 zeigen schematische Ansichten, aus denen die Struktur und die Arbeitsweise eines herkömmlichen Geräts zum Verdichten eines Fluids in einem Schnitt hervorgehen. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Zylinderblock, 20 bezeichnet einen Kolben, 30 bezeichnet eine Ventilplatte und 40 bezeichnet einen Zylinderkopf.

Wie 1 und 2 zeigen, besitzt der Zylinderblock 10 eine Zylinderbohrung 11 mit einem vorgegebenen Durchmesser, der den Zylinder in Längsrichtung oder longitudinal durchdringt. Der Kolben 20 ist in der Zylinderbohrung 11 des Zylinderblocks 10 so angeordnet, daß er in dieser eine Hin- und Herbewegung ausführen kann.

Die Ventilplatte 30 ist neben dem Zylinderblock 10 angeordnet. In der Ventilplatte 30 sind eine Fluidansaugbohrung 31 und eine Fluidaustragbohrung 32 angebracht. Außerdem besitzt die Ventilplatte 30 ein Ansaugventil 33 (das in 2 deutlicher in gestrichelten Linien dargestellt ist) und ein Austragventil 34 (das in 1 deutlicher dargestellt ist). Sie dienen zum Öffnen und Schließen der Fluidansaugbohrung 31 bzw. der Fluidaustragbohrung 32.

Der Zylinderkopf 40, der an dem Zylinderblock 10 auf der Seite angeordnet ist, an der sich die Ventilplatte 40 befindet, besitzt eine Fluidansaugkammer 41 und eine Fluidaustragkammer 42. Die Fluidansaugkammer 41 und die Fluidaustragkammer 42 sind jeweils der Fluidansaugbohrung 31 bzw. der Fluidaustragbohrung 32 der Ventilplatte 30 zugeordnet. Darüber hinaus sind mit dem Zylinderkopf 40 ein Fluidansaugrohr 43 und ein Fluidauslaßrohr 44 verbunden, die mit der Fluidansaugkammer 41 bzw. mit der Fluidaustragkammer 42 in Verbindung stehen.

Bei der herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Struktur wird das Fluid von dem Kolben 20, der sich in der Zylinderbohrung 11 durch eine von einer (nicht dargestellten) Kolbenantriebsquelle gelieferte Kraft hin- und herbewegt, eingezogen, verdichtet und ausgetragen. Der Kolben 20 bewegt sich in der Zylinderbohrung 11 des Zylinderblocks 10.

Wenn sich der Kolben 20 von einem oberen Totpunkt T (1) der Zylinderbohrung 11 zu einem unteren Totpunkt B (2) der Zylinderbohrung 11 bewegt, öffnet das Ansaugventil 33 die Ansaugbohrung 31 der Ventilplatte 30 aufgrund der Differenz zwischen dem Druck im Innenraum der Zylinderbohrung 11 und dem Innenraum der Fluidansaugkammer 41, wie dies in 2 dargestellt ist. Deshalb wird das Fluid durch das Ansaugrohr 31, die Ansaugkammer 41 des Zylinderkopfs 40 und die Ansaugbohrung 31 der Ventilplatte 30 in den Innenraum der Zylinderbohrung 11 eingezogen. Da der Druck in der Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40 größer als ist der Druck im Innenraum der Zylinderbohrung 11, wird das Austragventil 34 in seiner (in 2 dargestellten) Schließstellung gehalten und verschließt so die Austragbohrung 32.

Wenn sich der Kolben 20 hingegen von dem unteren Totpunkt B (2) der Zylinderbohrung 11 zu dem oberen Totpunkt T (1) der Zylinderbohrung 11 bewegt, wird das Fluid, das während des Abwärtshubs des Kolbens in die Zylinderbohrung 11 eingezogen wurde, allmählich verdichtet. Wenn der Kolben 20 den oberen Totpunkt T erreicht, wie dies in 1 dargestellt ist, wird der Druck in der Zylinderbohrung 11 schließlich höher als der Druck in der Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40, so daß das Austragventil 34 die Austragbohrung 32 der Ventilplatte 30 frei gibt. Dadurch wird das verdichtete Fluid durch die Austragbohrung 32 der Ventilplatte 30 in die Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40 und durch das Austragrohr 44 ausgetragen. Der Druck in der Ansaugkammer 41 des Zylinderkopfs 40 ist zu dieser Zeit niedriger als der Druck in der Zylinderbohrung 11, so daß das Ansaugventil 33 in seiner (in 1 dargestellten) Schließstellung gehalten wird und die Ansaugbohrung 32 verschließt.

Wenn der Kolben 20 sich wieder zu dem unteren Totpunkt B bewegt, wird die Ansaugbohrung 31 von dem Ansaugventil 33 geöffnet, während die Austragbohrung 32 von dem Austragventil 34 geschlossen wird, so daß Fluid aus der Ansaugkammer 41 eingezogen wird. Wenn der Kolben 20 sich anschließend wieder zu dem oberen Totpunkt T bewegt, wird das eingezogene Fluid in einem kontinuierlichen Arbeitszyklus wiederholt verdichtet und ausgetragen.

Bei der vorangehend beschriebenen herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung wird das von dem Kolben 20 verdichtete Fluid jedoch nicht voll ausgetragen. Etwas von dem verdichteten Fluid verbleibt in der Austragbohrung 32 der Ventilplatte 30. Während das Fluid eingezogen wird, mit anderen Worten, wenn der Kolben 20 sich von dem oberen Totpunkt T zu dem unteren Totpunkt B bewegt, expandiert deshalb das zurückbleibende Fluid, das hohen Druck hat, erneut, wenn der Kolben 20 seinen Abwärtshub ausführt. Wegen des erneut expandierenden Hochdruckfluids ist der Druck in der Zylinderbohrung 11 zu Beginn der Fluidansaugsequenz, d.h. dann, wenn der Kolben 20 sich zu seinem unteren Totpunkt B bewegt, niedriger als der Druck in der Austragkammer 42 des Zylinderkopfs 40, jedoch höher als der Druck in der Ansaugkammer 41. Deshalb findet das Ansaugen nicht unverzüglich statt, wenn der Kolben 20 seinen Abwärtshub beginnt und sich in Richtung auf den unteren Totpunkt B bewegt. Erst wenn der Druck in der Zylinderbohrung 11 kleiner wird als der Druck in der Ansaugkammer 41, während der Kolben 20 sich zu dem unteren Totpunkt B bewegt, wird das Ansaugventil 33 geöffnet und neues Fluid eingezogen. Da das in der Ansaugbohrung 32 zurückbleibende Hochdruckfluid bei jedem Hubzyklus ein totes Volumen der Zylinderbohrung 11 erzeugt, verringert sich bei der herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung die in die Zylinderbohrung 11 hineingezogene Fluidmenge, was zu einer Verschlechterung der Effizienz führt.

Da die herkömmliche Fluidverdichtungsvorrichtung das Ansaugventil 33 und das Austragventils 34 zum Öffnen der Ansaugbohrung 31 bzw. der Austragbohrung 32 benötigt, die eine komplexe Struktur haben, ist der Zusammenbau der Verdichtungsvorrichtung kompliziert. Darüber hinaus eignet sich die Vorrichtung nicht für ein einfaches Herstellverfahren, und seine Konstruktion ist mit hohen Herstellkosten verbunden.

Eine ähnliche Konstruktion mit seitlicher Fluidaustragsbohrung ist aus DE 196 34 517 A1 bekannt, bei der die bohrungsfreie Ventilplatte gegen den Boden der Fluidaustragskammer abgestützt ist. Eine Anordnung mit einer seitlichen Fluidaustragsöffnung ist auch aus der US 6,190,143 B1 bekannt, wobei die bohrungsfreie Ventilplatte im Boden der Fluidaustragskammer geführt und gegen diese Federn abgestützt ist, wobei die Fluidaustragskammer durch ein auf den Zylinderblock aufschraubbares Bauteil definiert ist, das somit kompliziert ausgebildet ist. Eine axiale Fluidaustragsöffnung zeigt GB 253 442 A in einem einschraubbaren Austragsstutzen, an dem die bohrungsfreie Ventilplatte federnd abgestützt ist. Hier ist der Zusammenbau umständlich. Bei allen diesen Ausführungsformen bedarf es einer sehr genauen Fertigung und sehr genauen Justierung beim Zusammenbau, um den vollen Austrag des verdichteten Fluids sicherzustellen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluidverdichtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine bessere Effizienz ermöglicht, in dem das bei der herkömmlichen Zylinderbohrung vorhandene tote Volumen beseitigt wird, in dem das verdichtete Fluid voll ausgetragen wird. Von besonderem Vorteil soll diese Fluidverdichtungsvorrichtung mit geringeren Kosten hergestellt werden können, einfacher zusammenzubauen sein und bessere Produktivität bei der Herstellung ermöglichen. Was dadurch erreichbar wäre, dass eine Fluidaustragöffnung von einem Kolben geöffnet und geschlossen werden kann, ohne dass eine separate Ansaugventilvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Austragventilanordnung einfache Konstruktion aufweisen soll.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids gelöst, mit einem Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung, die einen vorgegebenen Durchmesser hat und den Zylinderblock in Längsrichtung durchdringt, wenigstens einer Fluidansaugöffnung, die in einer die Zylinderbohrung schneidenden Richtung eindringt, und wenigstens zwei schlitzförmige Fluidaustragöffnungen mit je einer Öffnung, die an einem Endbereich der Zylinderbohrung ausgebildet sind, mit einem Kolben, der in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks hin- und herbewegbar ist, mit einer Austragventilanordnung, die beweglich in der Zylinderbohrung angeordnet ist, um die Fluidaustragöffnungen des Zylinderblocks selektiv zu öffnen und zu schließen, wobei die Austragventilanordnung einen Ventilkolben besitzt, der einen Flansch aufweist, um die Bewegung der Austragventilanordnung in Richtung auf den Kolben zu begrenzen, und mit einem Zylinderkopf zur Bildung einer Austragkammer, die mit den Fluidaustragöffnungen des Zylinderblocks in Verbindung steht, indem sie mit dem Zylinderblock verbunden ist, wobei der Zylinderkopf einen Fluidauslassdurchgang für die Austragkammer besitzt.

Bei dieser Fluidverdichtungsvorrichtung wird das Fluid eingezogen, wenn die Fluidansaugöffnung von dem Kolben, der sich in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks hin- und herbewegt, selektiv geöffnet und geschlossen wird. Außerdem wird das Fluid durch die Fluidaustragöffnung ausgetragen, die von dem Ventilkolben frei gegeben wird, der durch den erhöhten Fluiddruck in der Zylinderbohrung verschoben wird. Da das herkömmliche Ansaugventil mit seiner komplexen Konstruktion entfällt und das Austragventil eine einfache Konstruktion hat, werden der Zusammenbau und die Produktivität der Verdichtungsvorrichtung verbessert. Außerdem werden die Herstellkosten merklich reduziert. Da das in der Zylinderbohrung verdichtete Hochdruckfluid durch die Austragöffnung voll ausgetragen wird, kann außerdem das tote Volumen eliminiert werden, das von dem in der Zylinderbohrung zurückbleibenden Fluid erzeugt wird, so dass die Verdichtungseffizienz verbessert wird.

Nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fluidverdichtungsvorrichtung die Position des oberen Totpunkts des Kolbens an einem Punkt angeordnet, der geringfügig über dem Anfang der schlitzförmigen Fluidaustragöffnungen liegt, so dass verdichtetes Fluid in der Zylinderbohrung voll ausgetragen wird, wenn der Kolben und er Ventilkolben an dem oberen Totpunkt miteinander in Kontakt kommen.

Außerdem ist die Fluidansaugöffnung unmittelbar vor dem unteren Totpunkt angeordnet, d.h. in der am meisten zurückgezogenen Position des Kolbens, so dass das Fluid von dem in der Zylinderbohrung entwickelten Vakuum sofort eingezogen wird, wenn die Fluidansaugöffnung plötzlich geöffnet wird, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht.

Die Austragventilanordnung umfasst vorzugsweise einen Ventilkolben, der in der Zylinderbohrung bewegbar ist, wobei dieser Ventilkolben einen Flansch aufweist zur Begrenzung der Bewegung des Ventilkolbens durch Kontakt an einer Stirnwand der Zylinderbohrung und wobei der Flansch einen ersten Vorsprung besitzt, der etwa im Zentrum des Flansches ausgebildet ist, eine Trägerplatte, die in dem Zylinderkopf in einem vorgegebenen Abstand von dem Ventilkolben angeordnet ist, wobei diese Trägerplatte einen zweiten Vorsprung besitzt, der an ihm entsprechend dem ersten Vorsprung ausgebildet ist, sowie mehrere Fluiddurchgänge, die in der Nähe des Zentrums des zweiten Vorsprungs radial ausgebildet sind, und ein Federglied, das zwischen dem Ventilkolben und der Trägerplatte angeordnet ist, wobei dieses Federglied den Ventilkolben elastisch hält und in einer Richtung vorspannt, in der der Ventilkolben die Fluidaustragöffnungen verschließt.

Der Zylinderblock kann entweder kreisrund oder rechteckig ausgebildet sein.

Die Fluidansaugöffnungen können an zwei entgegengesetzten Seiten des Zylinderblocks angeordnet sein, oder es können mehr als zwei Fluidansaugöffnungen vorgesehen sein, die in vorgegebenen Intervallen durch den Zylinderblock verlaufen.

Die Fluidansaugöffnungen können kegelförmig oder als zweistufige Öffnung mit einem Abschnitt mit größerem Durchmesser und einem zweiten Abschnitt mit kleinerem Durchmesser oder alternativ als Öffnung ausgebildet sein, die aus diesen beiden Typen kombiniert ist.

Darüber hinaus können die Fluidansaugöffnungen mit einem erweiterten Ansaugbereich ausgestattet werden, indem auf wenigstens einer Seite des Zylinderblocks ein Teil weggeschnitten wird. Da in diesem Fall die Fläche der Fluidansaugöffnungen größer wird, kann das Fluid effizienter in die Zylinderbohrung 11 eingezogen werden.

Das Ziel und die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung weiter verdeutlicht. Diese Beschreibung nimmt auf die anliegenden Zeichnungen Bezug.
1 und 2 zeigen schematische Querschnittsansichten, in denen die Struktur und die Funktion einer herkömmlichen Fluidverdichtungsvorrichtung hervorgehen,
3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer Fluidverdichtungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 bis 6 zeigen Querschnittsansichten, aus denen die Struktur und die Funktion der Fluidverdichtungsvorrichtung nach dem in 3 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervorgehen,
7A bis 7G zeigen weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Zylinderblocks und einer Fluidansaugöffnung der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des Zylinderblocks und der Fluidansaugöffnung bei der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Im folgenden werden anhand der anliegenden Zeichnungen die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlicher beschrieben.
3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer Fluidverdichtungsvorrichtung nach dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 4 bis 6 zeigen Querschnittsansichten, aus denen die Struktur und die Funktion der Fluidverdichtungsvorrichtung nach dem in 3 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervorgehen.
Wie 3 bis 6 zeigen besitzt die Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung einen Zylinderblock 100, einen Kolben 200, eine Austragventilanordnung 300 und einen Zylinderkopf 400.
Der Zylinderblock 100 besitzt eine Zylinderbohrung 110 mit einem vorgegebenen Durchmesser, der den Zylinderblock 10 in Längsrichtung durchdringt, ferner wenigstens eine Fluidansaugöffnung 130, die in rechtem Winkel zu der Zylinderbohrung 110 eindringt, und wenigstens ein Paar schlitzförmige Fluidaustragöffnungen 150 mit einer Öffnung in beiden Endbereichen der Zylinderbohrung 110. Darüber hinaus besitzt der Zylinderblock 100 einen Verbindungsansatz 170 für die Verbindung mit dem Zylinderkopf 400.
Das äußere Erscheinungsbild des Zylinderblocks 100 kann kreisrund sein, wie dies in 7A bis 7G dargestellt ist, oder rechteckig, wie dies in 8 dargestellt ist. Theoretisch kann der Zylinderblock 100 irgendeine von vielen Formen haben. Deshalb ist das äußere Erscheinungsbild des Zylinderblocks 100 nicht auf die im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränkt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel schneidet die Fluidansaugöffnung 130 die Zylinderbohrung 110 im rechten Winkel, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt ist. Mit anderen Worten, falls es für die Fluidströmung oder die Konstruktion wünschenswert ist, kann die Fluidansaugöffnung 130 auch unter einem bestimmten Winkel (einschließlich eines stumpfen oder eines spitzen Winkels) relativ zu der Zylinderbohrung 110 angeordnet sein.
Der Kolben 200 ist der Zylinderbohrung 110 des Zylinderblocks 100 hin- und herbewegbar, wobei er Fluid einzieht und verdichtet. Er bezieht die Antriebsleistung aus einer (nicht dargestellten) separaten Antriebsquelle, die ihn hin- und herbewegt. Der Kolben 200 besitzt vorzugsweise einen hohlen Kern, um seine eigene Belastung zu reduzieren. Aus dem gleichen Grund kann der Kolben 200 aus einer Aluminiumlegierung bestehen..
Die Austragventilanordnung 300 umfaßt einen Ventilkolben 310, der in der Zylinderbohrung 110 bewegbar ist, um die Fluidansaugöffnung 150 (4 und 5) des Zylinderblocks 100 selektiv zu öffnen und zu schließen.
Der Ventilkolben 310 ist ein kreisrunder Körper, dessen Durchmesser etwa dem Innendurchmesser der Zylinderbohrung 110 entspricht. An einem longitudinalen Ende des Ventilkolbens 310 ist ein Flansch 311 ausgebildet, der die Fluidströmung um den Ventilkolben 310 durch den Kontakt mit der den Endbereich der Zylinderbohrung 110 bildenden Zylinderwandung begrenzt. Der Ventilkolben 310 öffnet und schließt also die Fluidaustragöffnung 150, indem er sich während eines Aufwärtshubs bewegt, ohne daß er ganz in die Zylinderbohrung 110 hineinragt. Etwa im Zentrum des Flansches 311 ist ein erster Vorsprung 312 ausgebildet.
Die Austragventilanordnung 300 umfaßt ferner eine Trägerplatte 320, die in einem vorgegebenen Abstand von dem Ventilkolben 310 in dem Zylinderkopf 400 angeordnet ist, und ein Federglied 330, das zwischen dem Ventilkolben 310 und der Trägerplatte 320 angeordnet ist und den Ventilkolben 310 in der Richtung vorspannt, in der er die Fluidaustragöffnung 150 verschließt. Deshalb verschließt der Ventilkolben 310 die Fluidaustragöffnung 150, indem er während des Abwärtshubs, in dem das Fluid eingezogen wird und in dem in der Zylinderbohrung 110 kein Druck herrscht, in einem Ausgangszustand gehalten wird. Wenn der Druck in der Zylinderbohrung 110 anwächst, d.h. während des Aufwärtshubs zur Fluidverdichtung, öffnet der Ventilkolben 310 die Fluidaustragöffnung 150, so daß das Fluid ausgetragen werden kann, wenn der Ventilkolben 310 den Widerstand des federnden Glieds 330 überwindet und durch den hohen Fluiddruck, der sich in der Zylinderbohrung 110 entwickelt hat, weggestoßen wird. Etwa im Zentrum der Trägerplatte 320 ist ein zweiter Vorsprung 321 ausgebildet, der dem ersten Vorsprung 312 des Ventilkolbens 310 entspricht und diesem gegenüberliegt. Es sind wenigstens drei in gleichen Abständen angeordnete Fluiddurchgänge 322 (3) radial ausgebildet, die einen vorgegebenen Abstand von der Außenkante des zweiten Vorsprungs 321 haben.
Wie 4 und 5 zeigen, kann die Trägerplatte 320 an einem Ende des Verbindungsansatzes 170 des Zylinderblocks 100 angeordnet sein, da der Zylinderkopf 400, wie dargestellt, mit dem Verbindungsansatz 170 verbunden ist, wobei die Verbindungsart jedoch nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt ist. Die Trägerplatte 320 kann alternativ auch auf andere Art, z.B. durch Schweißen, befestigt sein. Als Federglied 330 kann eine Druckschraubenfeder verwendet werden. Die Druckschraubenfeder wird in diesem Fall von dem ersten und dem zweiten Vorsprung 312, 321 gehalten, die an dem Ventilkolben 310 bzw. der Trägerplatte 320 ausgebildet sind. Als Federglied kann auch ein beliebiges anderes Federglied verwendet werden, einschließlich der dargestellten Druckschraubenfeder 330 oder einer Federscheibe.
Der Zylinderkopf 400 ist mit dem Verbindungsansatz 170 des Zylinderblocks 100 verbunden. In dem Zylinderkopf 400 ist eine Austragkammer 410 ausgebildet, die mit der Fluidaustragöffnung 150 in Verbindung steht. Zusätzlich ist in dem Zylinderkopf 400 ein Fluiddurchgang 420 ausgebildet, der mit der Austragkammer 410 in Verbindung steht. Bezüglich der Montage ist die Struktur des Zylinderkopfs 400 nicht auf einen Typ beschränkt, der Zylinderkopf 400 kann vielmehr auch mit Schrauben montiert sein, wie in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In 3 bis 6 ist ein Fluidansaugrohr 500 dargestellt, das an der Ansaugöffnung 130 in den Zylinderblock 100 verläuft.
Bei der Fluidverdichtungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Struktur läuft der Arbeitsvorgang folgendermaßen ab: Wenn die Fluidansaugöffnung 130 von dem in der Zylinderbohrung 110 hin- und herwandernden Kolben 200 selektiv geöffnet wird, wird das Fluid durch das in der Zylinderbohrung 110 entwickelte Vakuum rasch eingezogen. Wenn die Fluidaustragöffnung 150 geöffnet wird, weil der Ventilkolben 310 durch den in der Zylinderbohrung 110 entwickelten hohen Druck verschoben wird, wird das Fluid voll ausgetragen.
Diese Struktur erzielt durch den Einsatz der Erfindung eine bemerkenswerte Wirkung, wie aus in 4 bis 6 hervorgeht. Gemäß 4 bis 6 ist die Position des oberen Totpunkts T des Kolbens 200 geringfügig hinter dem Ende der Zylinderbohrung 110 verlegt. Deshalb kann das in der Zylinderbohrung 110 verdichtete Fluid voll ausgetragen werden, wenn der Kolben 200 und der Ventilkolben 310 am oberen Totpunkt T einander berühren. Mit anderen Worten, das Hochdruckfluid, das in dem herkömmlichen Verdichter zurückgehalten und nicht ausgetragen wird, bleibt in der Zylinderbohrung 110 gemäß der Erfindung nicht zurück, so daß das genannte tote Volumen effektiv eliminiert werden kann.
Das zweite Strukturmerkmal der Erfindung besteht darin, daß die Fluidansaugöffnung 130 unmittelbar vor dem unteren Endpunkt B des Kolbens 200 angeordnet ist. Eine getrennte Ansaugventilvorrichtung zum Öffnen und Schließen der Fluidansaugöffnung 130 ist nicht notwendig und so auch nicht vorgesehen, da der Kolben 200 selbst die Fluidansaugöffnung 130 durch seine Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung 110 selektiv öffnet und schließt. Deshalb wird die Fluidansaugöffnung 130 augenblicklich geöffnet, wenn der Kolben 200 den unteren Totpunkt B erreicht, und das Fluid wird durch die Vakuumsaugkraft der Zylinderbohrung 110 sofort eingezogen. Da außerdem, anders als bei dem herkömmlichen Verdichter, eine separate Ansaugventilvorrichtung mit komplexer Struktur nicht erforderlich ist, kann die Struktur des Verdichters einfacher sein. Darüber hinaus wird der Kühleffekt des Zylinderblocks etwas verbessert, da das Fluid rasch eingezogen und ausgetragen wird.
Da die Fluidansaugöffnung 130 durch die Bewegung des Kolbens 200 während des Betriebs abrupt geöffnet wird, wird das Fluid in der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung eingezogen und räumt die Ansaugöffnung 130 aus. Die Ausräumzeit ist jedoch aufgrund der Position der Ansaugöffnung 130 kurz, wenn das Fluid durch die Fluidansaugöffnung 130 eingezogen wird, so daß die eingezogene Fluidmenge kleiner sein kann als gewünscht. Deshalb sind bei der vorliegenden Erfindung, wie in 7A bis 7G dargestellt, wenigstens zwei Fluidansaugöffnungen 130, 130' vorgesehen, die an der dem Zylinderblock 100 entsprechenden Position ausgebildet sind, so daß mehr Fluid rasch in die Zylinderbohrung 110 eingezogen werden kann.
Entsprechend den anderen dargestellten Beispielen können die Fluidansaugöffnungen 630, 630' kegelförmig sein, wobei die Teile von der Außenseite zur Innenseite des Zylinderblocks 100 allmählich kleiner werden, wie dies in 7A dargestellt ist, oder es können zweistufige Öffnungen 730, 730' mit einem Abschnitt mit größerem Durchmesser und einem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser, wie dies in 7B dargestellt ist. Darüber hinaus kann auch eine der Ansaugöffnungen 830 zweistufig ausgebildet sein mit einem durchmessergrößeren und einem durchmesserkleineren Abschnitt, während die andere Ansaugöffnung 830' als Bohrung mit einem vorgegebenen Durchmesser ausgebildet sein kann, wie dies in 7C dargestellt ist. Alternativ können auch zwei Ansaugöffnungen 930, 930' als kreisrunde Bohrungen mit vorgegebenen Durchmessern vorgesehen sein, wie dies in 7D dargestellt ist.
Weiterhin können entlang einer ganzen Außenumfangslinie des Zylinderblocks 100 mehrere Fluidansaugöffnungen 1030 ausgebildet sein, um eine größere Fläche für das Anziehen des Fluids bereitzustellen, wie dies in 7G dargestellt ist. Zusätzlich kann ein Sektor des Zylinderblocks 100 ausgespart sein, um eine oder mehrere Nuten 1130 zu bilden, die mit der Zylinderbohrung 110 in Verbindung stehen, wie dies in 7E dargestellt ist.
In dem Beispiel von 7F bildet eine Aussparung eine umlaufende Nut 1232 mit einer vorgegebenen Breite und Tiefe entlang des Außenumfangs des Zylinderblocks 100, wobei mehrere Fluidansaugöffnungen 830 radial in vorgegebenen gleichen Abständen vorgesehen sind, die sich von der ausgeschnittenen Nut 1232 in die Zylinderbohrung 110 erstrecken.
8 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie 8 zeigt, ist der Zylinderblock 100 rechteckig. Eine Aussparung bildet eine Nut 1332, die mit der durch den Zylinderblock 100 verlaufenden Zylinderbohrung 110 in Verbindung steht und auf einer Seite oder auf zwei Seiten des rechteckigen Zylinderblocks 100 ausgebildet sein kann. An der Schnittstelle der Nut 1332 und der Zylinderbohrung 110 sind die Fluidansaugöffnungen 1330, 1330' ausgebildet. In diesem Fall kann die Fläche der Fluidansaugöffnung erwei tert werden, so daß das Fluid leichter in die Zylinderbohrung 110 hineingezogen werden kann.
Im folgenden wird anhand von 4 bis 6 die Arbeitsweise der Fluidverdichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, das die oben beschriebenen Strukturen besitzt. Die in 4 bis 6 dargestellte Struktur ist exemplarisch, und die Beschreibung ihrer Arbeitsweise gilt auch für die anderen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
4 zeigt den Zustand, in dem der Kolben 200 vollständig zu dem unteren Totpunkt B in der Zylinderbohrung 110 bewegt ist. Wenn der Kolben 200 so bewegt wird, daß er den unteren Totpunkt B erreicht, wird die Fluidansaugöffnung 130, die von dem Kolben 200 verschlossen war, geöffnet, so daß das Fluid durch die Fluidansaugöffnung 130 in die Zylinderbohrung 110 eingezogen werden kann. Wenn die Bewegung des Kolbens 200 von dem oberen Totpunkt T zu dem unteren Totpunkt B startet, ist die Fluidaustragöffnung 150 der Zylinderbohrung 110 von dem Ventilkolben 310 verschlossen, und der Kolben 200 wird während des Zyklusintervalls, in dem die Fluidansaugöffnung 130 ebenfalls von dem Kolben 200 verschlossen ist, von einer (nicht dargestellten) externen Antriebsquelle zwangsweise zu dem unteren Totpunkt B bewegt. Deshalb entwickelt sich im Innenraum der Zylinderbohrung 110 ein negativer Druck oder ein Vakuum. Wenn der Kolben 200 sich weiter in Richtung auf den unteren Totpunkt B bewegt, nimmt der negative Druck zu. Wenn der Kolben 200 schließlich den unteren Totpunkt B erreicht und die Fluidansaugöffnung 130, die zuvor von dem Kolben 200 verschlossen war, freigibt, wird das Fluid rasch durch die Fluidansaugöffnung 130 eingezogen.
Wenn das Fluid vollständig eingezogen ist, beginnt der Kolben 200, das eingezogene Fluid zu verdichten, indem er sich von dem unteren Totpunkt B in Richtung auf den oberen Totpunkt T bewegt. Zu dieser Zeit wird die Fluidansaugöffnung 130 durch die Bewegung des Kolbens 200 geschlossen, und der Ventilkolben 310 verschließt die Fluidansaugöffnung 150, da der Ventilkolben 310 durch den Druck des federnden Glieds 330 seinen Ausgangszustand beibehält und die Austragkammer 410 außerhalb liegt. Da der Kolben 200 von der (nicht dargestellten) externen Antriebsquelle zwangsweise zu dem oberen Totpunkt T bewegt wird, wird das darin befindliche Fluid langsam verdichtet.
5 zeigt den Zustand, in welchem der Kolben 200 vollständig zu dem oberen Totpunkt T bewegt wird. Während der Kolben 200 weiter zu dem oberen Totpunkt T bewegt wird, wird das Fluid stärker verdichtet. Wenn der Kolben 200 eine vorgegebene Position erreicht (d.h., wenn der Druck des Fluids größer wird als die Rückstellkraft des federnden Glieds), verschwindet das Gleichgewicht zwischen dem Druck des Fluids und der Rückstellkraft des federnden Glieds 330, das den Ventilkolben 310 elastisch vorspannt. Dadurch wird der Ven tilkolben 310 herausgedrückt, und die Fluidaustragöffnung 150 wird geöffnet. Schließlich wird das verdichtete Hochdruckfluid in die Austragkammer 410 ausgetragen. Anschließend bewegt sich der Kolben 200 noch weiter zu dem oberen Totpunkt T, so daß das Fluid in der Zylinderbohrung 110 voll ausgetragen werden kann. Während des oben beschriebenen Prozesses kommen der Kolben 200 und der Ventilkolben 310 miteinander in Berührung. Diese Berührung findet fast zu der gleichen Zeit statt, in der das Fluid, das sich zwischen dem Kolben und dem Ventilkolben 310 befindet, ausgetragen wird, so daß der Kolben 200 und der Ventilkolben 310 einander berühren können, wobei der Puffer, den das Hochdruckfluid zwischen den Elementen bildet, verhindert, daß eine Beschädigung auftritt. Wie oben beschrieben wurde, bewegt sich der Kolben 200 zu dem oberen Totpunkt T, der an einem Punkt hinter dem Ende der Zylinderbohrung 110 liegt, so daß kein verdichtetes Fluid in der Zylinderbohrung 110 verbleibt und das tote Volumen zu Null wird.
6 zeigt den Prozeß, durch den der Kolben 200, der nach der Bewegung zu dem oberen Totpunkt T die Verdichtung beendet hat, das zu dem unteren Totpunkt B strömende Fluid anzieht. Wie 6 zeigt, bewegt sich der Kolben 200 zu dem unteren Totpunkt B. Der Ventilkolben 310 verschließt die Fluidaustragöffnung 150, da er durch die Rückstellkraft des federnden Glieds 330 in die Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Der Kolben 200 verschließt die Fluidansaugöffnung 130 in dem Augenblick, in dem er sich von dem oberen Totpunkt T in Richtung auf den unteren Totpunkt B bewegt. Wenn der Kolben 200 sich in Richtung auf den unteren Totpunkt B bewegt, wird in der Zylinderbohrung 110 ein Vakuum erzeugt. Wenn der Abwärtshub des Zyklus fortschreitet, erreicht der Kolben 200 den unteren Totpunkt B, wie dies in 4 dargestellt ist. Dann wird die Fluidansaugöffnung 130 plötzlich geöffnet, und das Fluid wird durch die Kraft des Vakuums in der Zylinderbohrung 110 sofort durch die Fluidansaugöffnung 130 in die Zylinderbohrung 110 eingezogen. Anschließend beginnt wieder der oben beschriebene Zyklus des Einziehens und Verdichtens. Das Fluid wird eingezogen, verdichtet und ausgetragen, indem der oben beschriebene Prozeß kontinuierlich wiederholt wird.
Vorangehend wurde die Vorrichtung zum Anziehen, Verdichten und Entladen des Fluids, insbesondere eines Gases, dargestellt und beschrieben. Der einschlägige Fachmann erkennt jedoch, daß die vorliegende Erfindung auch bei einer Vorrichtung zum Pumpen einer Flüssigkeit, z.B. einer Pumpe, angewendet werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, bleibt das verdichtete Hochdruckfluid erfindungsgemäß nicht in der Zylinderbohrung zurück. Dadurch kann das tote Volumen, das bei einem Verdichter herkömmlicher Art durch die Wiederausdehnung des zurückbleibenden Fluids erzeugt wird, eliminiert werden. Deshalb kann die Verdichtungseffizienz verbessert werden. Wenn ein Verdichter mit der erfindungsgemäßen Struktur für einen Gefrierzyklus eines Kühlgeräts oder eines Luftreinigers angewendet wird, kann das Gefrieren und Kühlen aufgrund dieser Tatsache merklich verbessert werden.
Da das Ansaugventil mit seiner komplexen Struktur erfindungsgemäß entfällt und das Austragventil eine einfache Struktur hat, wird die ganze Struktur des Verdichters einfacher, und die Elemente des Verdichters können leichter und automatisch zusammengebaut werden. Dadurch werden die Herstellkosten verringert.
Gemäß der Erfindung entfällt das herkömmliche Ansaugventil, und die Funktion des Austragventils wird verbessert. Deshalb kann ein Verdichter gemäß der Erfindung leiser betrieben werden, da kein Geräusch durch Ventilkontakt entsteht.
Die vorliegende Erfindung liefert also einen Verdichter oder eine Pumpe mit hohem Verdichtungsverhältnis, großer Zuverlässigkeit und einfacher Struktur. Auch der Zusammenbau des Verdichters oder einer Pumpe wird erleichtert, so daß die Herstellkosten gesenkt werden können.

Claims

Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids mit einem Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung, die einen vorgegebenen Durchmesser hat und den Zylinderblock in Längsrichtung durchdringt, wenigstens einer Fluidansaugöffnung, die in einer die Zylinderbohrung schneidenden Richtung eindringt, und wenigstens zwei schlitzförmigen Fluidaustragöffnungen mit je einer Öffnung, die an einem Endbereich der Zylinderbohrung ausgebildet sind, mit einem Kolben, der in der Zylinderbohrung des Zylinderblocks hin- und herbewegbar ist, mit einer Austragventilanordnung, die in der Zylinderbohrung beweglich angeordnet ist, um die Fluidaustragöffnungen des Zylinderblocks selektiv zu öffnen und zu schließen, wobei die Austragventilanordnung einen Ventilkolben besitzt, der einen Flansch aufweist, um die Bewegung der Austragventilanordnung in Richtung auf den Kolben zu begrenzen, und mit einem Zylinderkopf zur Bildung einer Austragkammer, die mit den Fluidaustragöffnungen des Zylinderblocks in Verbindung steht, indem sie mit dem Zylinderblock verbunden ist, wobei das Fluid eingezogen wird, wenn die Fluidansaugöffnung von dem in der Zylinderbohrung hin- und herbewegten Kolben selektiv geöffnet wird, und durch die Fluidaustragöffnungen ausgetragen wird, wobei die Fluidaustragöffnungen durch die Bewegung des Ventilkolbens geöffnet werden, wenn der Druck des Fluids in der Zylinderbohrung einen vorgegebenen Wert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Position des oberen Totpunkts des Kolbes an einem Punkt geringfügig über dem Anfang der schlitzförmigen Fluidaustragöffnungen liegt, so dass das in der Zylinderbohrung verdichtete Fluid voll ausgetragen wird, wenn der Kolben und der Ventilkolben an dem oberen Totpunkt miteinander in Berührung kommen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Fluidansaugöffnung unmittelbar vor dem unteren Totpunkt angeordnet ist, der durch die ganz zurückgezogene Position des Kolbens definiert ist, so daß das Zurückziehen des Kolbens die Fluidverbindung zwischen den Fluidaustragöffnungen und der Zylinderbohrung freigibt und das Fluid durch das in der Zylinderbohrung entwickelte Vakuum eingezogen wird, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht und die Fluidansaugöffnung plötzlich geöffnet wird,.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Austragventilanordnung aufweist: einen Ventilkolben, der in der Zylinderbohrung bewegbar ist, wobei dieser Ventilkolben einen Flansch aufweist zur Begrenzung der Bewegung des Ventilkolbens durch Kontakt an einer Stirnwand der Zylinderbohrung und wobei der Flansch einen ersten Vorsprung besitzt, der etwa im Zentrum des Flansches ausgebildet ist, eine Trägerplatte, die in dem Zylinderkopf in einem vorgegebenen Abstand von dem Ventilkolben angeordnet ist, wobei diese Trägerplatte einen zweiten Vorsprung besitzt, der an ihm entsprechend dem ersten Vorsprung ausgebildet ist, sowie mehrere Fluiddurchgänge, die in der Nähe des Zentrums des zweiten Vorsprungs radial ausgebildet sind, und ein Federglied, das zwischen dem Ventilkolben und der Trägerplatte angeordnet ist, wobei dieses Federglied den Ventilkolben elastisch hält und in einer Richtung vorspannt, in der der Ventilkolben die Fluidaustragöffnungen verschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Ventilkolben hohl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Federglied eine Schraubendruckfeder umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Profil des Zylinderblocks kreisrund ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der wenigstens zwei Fluidansaugöffnungen an einander entgegengesetzten Positionen des Zylinderblocks angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Fluidansaugöffnungen kegelförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Fluidansaugöffnungen zweistufig ausgebildet sind und aus einem ersten Abschnitt mit größerem Durchmesser und einem zweiten Abschnitt mit kleinerem Durchmesser bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der eine der Ansaugöffnungen zweistufig ist mit einem Abschnitt mit größeren Durchmesser und einem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und bei dem die andere Ansaugöffnung kegelförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der mehrere Fluidansaugöffnungen entlang einer Außenumfangslinie des Zylinderblocks angeordnet und durch vorgegebene Abstände voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die mehreren Fluid-Ansaugöffnungen Löcher mit vorgegebenen Durchmessern aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der im Bereich der Fluidansaugöffnungen auf der Außenumfangslinie des Zylinderblocks eine Aussparung mit einer vorgegebenen Breite und einer vorgegebenen Tiefe vorgesehen ist und die mehreren Ansaugöffnungen, die Löcher mit vorgegebenen Durchmessern aufweisen, in dem Ausschnitt ausgebildet und durch vorgegebene Abstände voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Ansaugfläche der Fluidansaugöffnungen durch einen durch einen Teil des Zylinderblocks verlaufenden seitlichen Anschnitt vergrößert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der wenigstens zwei Fluidansaugöffnungen in einander entgegengesetzter Relation auf entgegengesetzten radialen Seiten des Zylinderblocks angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Profil des Zylinderblocks rechteckig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Ansaugfläche der Fluidansaugöffnungen durch einen durch wenigstens eine Seite des Zylinderblocks verlaufenden seitlichen Anschnitt vergrößert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der wenigstens zwei Ansaugöffnungen auf entgegengesetzten Seiten des Zylinderblocks angeordnet sind.