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Anordnung zur Hubbegrenzung eines elektromagnetischen Schwingkompressors
Elektromagnetische Schwingkompressoren führen in Abhängigkeit von der Frequenz des
Speisestromes in der Zeiteinheit eine bestimmte Anzahl von Schwingungen aus. Die
Beschleunigung und Amplitude einer solchen Schwingung ist jedoch von dem Gegendruck
im Zylinder und der Stärke des magnetischen Feldes an den Polschuhen abhängig. Die
Größe der Amplitude bestimmt die Wirksamkeit eines Kompressors, denn mit kleinerer
Amplitude wächst der schädliche Raum im Zylinder. Daher wird man die Amplitude möglichst
groß wählen, muß jedoch dafür sorgen, daß der Kolben bei größerer Amplitude nicht
an den Zylinderdeckel anschlagen kann. Hierzu wurden bereits die verschiedensten
Mittel vorgeschlagen, die sich aber entweder als zu aufwendig erwiesen haben oder
die bei Kältekompressoren zu fordernde Geräuscharmut nicht gewährleisten. Eine recht
gute Lösung bringt eine Vorkammer, die gegen den Zylinder und die Druckleitung über
je ein Ventil verschlossen ist. Diese Vorkammer ermöglicht infolge ihres geringen
Volumens einen schnellen Aufbau eines genügenden Gegendruckes beim Anlaufen des
Verdichters, noch bevor sich das schwingende System so weit aufgeschaukelt hat,
daß der Kolben an die Zylinderdecke anschlagen kann. Um ein Anschlagen des Kolbens
auch gegen das Zwischenventil zu verhindern, kann man dieses so ausbilden, daß es
vom Kolben zurückgedrückt wird und dieser in die Vorkammer eindringt. Hierdurch
wird zwar ein harter Anschlag des Kolbens vermieden, jedoch nur unter Zuhilfenahme
eines zusätzlichen gefederten Ventils, welches einen zusätzlichen Widerstand und
eine zusätzliche Störungsquelle darstellt. Außerdem kann beim Rückschwingen des
in die Vorkammer eingedrungenen Kolbens unter dem angehobenen Ventil verdichtetes
Kältemittel in den Zvlinderraum zurückströmen, da bei dieser Anordnung der Ventilsitz
sehr groß sein muß und eine völlige Abdichtung nicht gewährleistet ist.
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Nach einem weiteren Vorschlag wird dieses Zwischenventil so ausgebildet,
daß sich zwischen ihm und dem Kolben ein Luftpolster bildet, welches den Kolben
abbremst und ihn nicht direkt auf die Ventilplatte aufschlagen läßt. Dieses Luftpolster
stellt einen zusätzlichen schädlichen Raum dar und vermindert somit die Leistung
des 1,"erdicliters. Außerdem wirkt es auf jede Bewegung des Kolbens in Kompressionsrichtung
abbremsend, unabhängig von dessen Amplitude.
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Diese Vorschläge verhindern zwar weitestgehend ein Anschlagen des
Kolbens an den Zylinderdeckel und bewirken eine Abbremsung des Kolbenhubes in Kompressionsrichtung,
jedoch praktisch ohne Unterschied, ob der Kolben mit kleiner oder großer Amplitude
schwingt. Es ist offensichtlich, daß eine Abbremsung der Kolbengeschwindigkeit mit
normalen oder kleineren Amplituden oder Beschleunigungen keineswegs erwünscht ist,
sondern es sollen nur die Schwingungen mit überdurchschnittlich großen Amplituden
gebremst werden.
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Es ist ferner bekannt, bei einem Schwingverdichter, bei welchem die
schwingende Masse zusammen mit einem als Feder ausgebildeten Gasvolumen einSchwingsvstem
bildet, dieses durch Führung des Gasstromes durch Drosselstellen oder Stellen großer
Reibung zu dämpfen. Spezielle Anordnungen solcher Drosselstellen derart, daß eine
Hubbegrenzung erreicht wird und insbesondere nur Schwingungen mit überdurchschnittlich
großen Amplituden gebremst werden, sind jedoch hierbei nicht vorgesehen. Dies würde
bei der Führung eines Gasstromes durch eine Drosselstelle auch auf Schwierigkeiten
stoßen, da ein Gas leicht kompressibel ist und auf Grund seiner geringen Viskosität
die Drosselstellen nur schwierig entsprechend bemessen werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Begrenzung und Dämpfung der unerwünscht
großen Amplituden und Beschleunigungen eines Schwingkolbens auf einen bestimmten
äußersten Wert, die um so wirksamer sein soll, mit je größerer Amplitude und Beschleunigung
der Kolben schwingt, so daß von vornherein eine größere Schwingamplitude eingestellt
werden kann und dadurch der schädliche Raum kleiner gehalten wird.
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Nach der Erfindung wird dies bei einem insbesondere gekapselten elektromagnetischen
Schwingkompressor, dessen Schwinganker zwischen zwei Rückholfedern gelagert ist
und eine Drosselstelle aufweist, durch welche ein dämpfendes Medium gepreßt oder
gesaugt wird, dadurch erreicht, daß zur Schwächung der in den Rückholfedern beim
Saughub eines mit unerwünscht
großer Amplitude schwingenden Ankers
gespeicherten Energie das Schmieröl des Kompressors verwendet wird, das beim Saughub
oberhalb einer bestimmten Schwingamplitude des Ankers von dem Schaftende des Ankers
aus einem geschlossenen Raum, in dem das Schaftende des Ankers geführt ist, durch
eine- Drosselstelle gedrückt und beim Kompressionshub durch diese wieder in den
Raum zurückgesaugt wird. Hierzu wird vorteilhaft das dem Zylinder abgewandte Schaftende
des Ankers, das in dem geschlossenen Raum praktisch reibungsfrei geführt ist, als
Hohlraum ausgebildet, der an seiner unteren Stirnseite über die Drosselstelle mit
dem Raum und am oberen Ende über eine seitliche Bohrung mit der Umgebungsluft in
Verbindung steht, und ferner vorgesehen, daß der geschlossene Raum mit dem ihn umgebenden
Ölsumpf über eine Bohrung in Verbindung steht, die in solcher Höhe in der Seitenwand
des geschlossenen Raumes angebracht ist, daß sie in dem gewünschten Amplitudenbereich
des Ankers von dessen Schaftende abgesperrt wird. Hierdurch verschließt kurz oberhalb
der gewünschten Hubbegrenzung das Schaftende die Verbindung des geschlossenen Raumes
mit dem Ölsumpf, und das in dem geschlossenen Raum gestaute Öl wird durch die Drosselstelle
in den Hohlraum gedrückt.
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Bewegt sich der Kompressorkolben nun entgegengesetzt in Kompressionsrichtung,
so entsteht unter dem Schaftende ein Unterdruck, der das Öl aus dem Hohlraum durch
die Drosselstelle zurücksaugt.
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Diese Drosselstelle an der Stirnseite des Schaftendes muß so bemessen
sein, daß das vom Schaftende gestaute bzw. angesaugte Öl nur unter Überwindung eines
großen Widerstandes durchtreten kann. Dieser Widerstand wirkt entgegen der Beschleunigung
des Kolbens -also diese bremsend-, und die bremsende Kraft ist um so größer, je
größer die Beschleunigung des Kolbens ist, da in entsprechend kürzerer Zeit eine
bestimmte Ölmenge durch die Drosselstelle getrieben werden muß.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung und dessen
Wirkungsweise an Hand der Zeichnung beschrieben.
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In einem nur schematisch angedeuteten Kompressorkessel befindet sich
zwischen zwei Polpaaren 1, 2 ein Anker 3, dessen beiderseits verlängerte Achse mit
ihrem oberen Ende als Kolben ausgebildet in einen Zylinder 4 greift und mit ihrem
unteren Schaftende 5 in einem zylindrischen Lager 6 geführt ist, welches an dem
Joch der Ständerpole befestigt und vom Öl des Ölsumpfes 7 im Kessel umspült ist.
Der geschlossene Raum 8 dieses Lagers 6 ist über eine seitliche, relativ große Bohrung
9 mit dem Ölsumpf 7 verbunden. Am Schaftendes des hohlen Ankerschaftes ist eine
Drosselstelle 10 vorgesehen, die in einem im Schaft sich befindenden Hohlraum 11
mit größerem Durchmesser mündet. Dieser Hohlraum 11 ist am oberen Ende mit einer
kleinen seitlichen Bohrung 12 in der Schaftwandung versehen.
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Bewegt sich der Anker nach unten entgegen der Kompressionsrichtung,
so verdrängt er aus dem geschlossenen Raum 8 des Lagers 6 Öl durch die Bohrung 9
in den Ölsumpf 7. Eine kleinere Menge Öl wird hierbei auch durch die Drosselstelle
10 in den Hohlraum 11 gedrückt. Überschneidet jedoch das Schaftende 5 die Bohrung
9 bei einer weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens, so kann das praktisch inkompressible
Öl nur durch die Drosselstelle 10 in den Hohlraum 11 treten. Die hierbei aus dem
Hohlraum des Schaftes verdrängte Luft oder auch überschüssiges Öl entweicht durch
die seitliche Bohrung 12 an dessen oberem Ende. Diese seitliche Bohrung 12 muß also
so angeordnet sein bzw. die Eintauchtiefe des Schaftendes in das Lager muß so bemessen
sein, daß diese seitliche Bohrung 12 von der Lagerführung nicht oder erst kurz bevor
das Schaftende gegen den Boden des Lagers stoßen würde, verschlossen wird. In letzteren
Fall ist der Ölstand vorteilhaft so zu wählen, daß der ganze Hohlraum 11 mit Öl
gefüllt und keine Luft eingeschlossen wird, die ja kompressibel ist und bei der
anschließenden Bewegung des Kolbens in Konpressionsrichtung diesen beschleunigen
würde.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in Kompressionsrichtung entsteht
im geschlossenen Raum 8 ein Unterdruck, durch welchen, da die Verbindung zwischen
diesem und dem Ölsumpf 7 durch das Schaftende 5 verschlossen ist, das Öl aus dem
Hohlraum 11
durch die Drosselstelle 10 zurückgesaugt wird. Gibt jedoch bei
fortschreitender Aufwärtsbewegung des Kolbens das Schaftende 5 die Bohrung 9 frei,
so kann aus dem Ölsumpf 7 praktisch ohne Überwindung eines Widerstandes Öl in den
geschlossenen Raum 8 nachströmen.
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Diese Anordnung wirkt also erst dann als Bremse, wenn das Schaftende
den Durchtritt des Öles in den Ölsumpf versperrt bzw. die bremsende Wirkung wird
aufgehoben, sobald die Bohrung wieder freigegeben ist. Justiert man das Schaftende
und dessen als Bremse dienende Führung am unteren Ende so, daß der Anker bei normaler
Amplitude nicht über die Bohrung 9 hinausschwingt, so tritt praktisch keine bremsende
Kraft auf. Erst wenn infolge eines ungenügenden Gegendruckes im Zylinderkopf oder
steigender Netzspannung der Anker mit größerer Amplitude schwingt, also auch das
untere Schaftende 5 tiefer in das Lager 6 eindringt, wird der Anker in seiner Bewegung
entgegen der Kompressionsrichtung und bei der Umkehr in Kompressionsrichtung abgebremst.
Die Bremse wirkt also bei der Abwärtsbewegung des Ankers kurz vor der unteren Totpunktlage
und bei der Aufwärtsbewegung in Kompressionsrichtung bereits bei der Umkehr der
Schwingrichtung.
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Auf den ersten Blick erscheint diese Abbremsung am unteren Schaftende,
insbesondere in der unteren Totpunktlage, fehl am Platze, denn es sollte doch ein
Anschlagen des Kompressorkolbens an den Zylinderdeckel vermieden, also die Amplitude
des Schwingers vorzugsweise in Kompressionsrichtung begrenzt werden. Wie jedoch
aus der Figur zu ersehen ist, ist der Schwinganker zwischen zwei Rückholfedern 13
gelagert. In diesen wird die bei der Auf- bzw. Abwärtsbewegung des Ankers abgegebene
Energie gespeichert. und diese geben die Energie beim Umschwingen des Ankers wieder
ab. Schwingt der Kolben nun weiter als gewünscht gegen den Zylinderdeckel, so wird
in beiben Federn eine größere Energie gespeichert, die den Kolben dann auch weiter
zurücktreibt. Diese Rückwärtsbewegung wird jedoch durch die Bremse am zylindergegenseitigen
Schaftende abgebremst und begrenzt, so daß der Anker mit nur geringerer Beschleunigung
und Amplitude wieder in die Kompressionsrichtung getrieben wird. Ein Aufschaukeln
der Schwingungen wird also, praktisch ausgeschlossen, und der Anker wird unabhängig
von Schwankungen des Gegendruckes im Zylinderkopf und der Netzspannung praktisch
mit konstanter Beschleunigung und Amplitude schwingen.
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Ein wesentlicher Fortschritt gegenüber den bekannten und bereits vorgeschlagenen
Anordnungen zur Begrenzung der Amplitude eines Ankers wird darin
erblickt,
daß Schwingungen mit unerwünscht großen Amplituden auf eine bestimmte äußerste Schwingungsweite,
Schwingungen mit normaler und kleinerer Amplitude jedoch praktisch nicht abgebremst
werden. Ein Anker kann also von vornherein auf eine größere Amplitude und einen
entsprechend kleineren schädlichen Raum eingestellt werden, da plötzliche und auch
allmählich sich aufschaukelnde Vergrößerungen der Amplitude wirksam abgebremst werden.
Insbesondere erübrigt sich die Ausbildung einer Vorkammer und entfallen die mit
einer Vorkammer verbundenen Ventilschwierigkeiten.