DE19630943A1 - Zylindervorrichtung für einen Kolbenkompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zylindervorrichtung für einen Kolbenkompressor.

Wie dies in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist, weist ein konventioneller Kolbenkompressor, der im allgemeinen zum Komprimieren eines Kühlmittels in einem Kühlsystem verwendet wird, einen Antriebsmotor 160, der einen Stator 163, einen Rotor 161 und eine Rotorwelle 165 aufweist, und eine Zylindervorrichtung 200 auf, die einen Zylinder 139, einen Kolben 120 und einen Zylinderkopf 150 aufweist.

Der Zylinderkopf 150 weist eine Einlaßkammer 151, die als ein Schöpfraum aus gebildet ist und durch die das Kühlmittel von außen zugeführt wird, und eine Auslaßkammer 152 auf, durch die das im Zylinder 139 komprimierte Kühlmittel aus dem Kompressor ausgelassen wird. Zwischen dem Zylinderkopf 150 und dem Zylinder 139 sind ein Ventilsitz 111 und eine Einlaßventilplatte 101 dazwischen gesetzt. Der Ventilsitz 111 ist mit einer Einlaßöffnung 117 zum Einsaugen und einer Auslaßöffnung 115 ausgestattet, die mit der Einlaßkammer 151 bzw. der Auslaßkammer 152 des Zylinderkopfs 150 verbunden sind. Die Auslaßöffnung 115 wird mittels eines Auslaßventilplättchens 113, das beweglich auf dem Ventilsitz 111 sitzt, elastisch dicht geschlossen und die Einlaßöffnung 117 ist mittels eines Einlaßventilplättchens 103, das auf der Einlaßventilplatte 101 ausgebildet ist, gleichfalls elastisch abgedichtet.

Wenn der Kompressor betrieben wird, läuft der Motor 160, wobei die Rotor- bzw. Kurbelwelle 165 gedreht wird, deren daraus resultierende Drehung mit Hilfe einer Pleuelstange 131 auf den Kolben 120 übertragen und zu einer Hin- und Herbewegung des Kolbens 120 im Zylinder 139 umgesetzt wird.

Die Bewegung des Kolbens 120 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wird von einem Abfall des Drucks der Zylinderkammer begleitet. Dies bewirkt, daß sich das Einlaßventilplättchen 103 zur Innenseite des Zylinders 139 hin biegt und führt zur Öffnung der Einlaßöffnung 117, während die Auslaßöffnung 115 mit Hilfe des Auslaßventilplättchens 113 geschlossen wird. Folglich wird das Kühlmittel von der Einlaßkammer 151 in den Zylinder 139 eingesaugt. In einer ähnlichen Art und Weise bewirkt die Bewegung des Kolbens 120 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt eine Druckzunahme in dem Zylinder 139. Folglich biegt sich das Auslaßventilplättchen 113 in Richtung der Außenseite des Zylinders 139, um die Auslaßöffnung 115 zu öffnen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Einlaßöffnung 117 mit Hilfe des Einlaßventilplättchens 103 abgedichtet. Folglich wird das Kühlmittel im Zylinder 139 komprimiert und zur Auslaßkammer 152 ausgelassen. Das Wiederholen des vorstehenden Verfahrens bildet den Mechanismus, durch den das Kühlmittel komprimiert wird.

Am oberen Totpunkt des Kolbens 120 trennt ein Spalt mit einer Dicke von etwa 0,2 mm den Kolben 120 und die Einlaßventilplatte 101. Ein größerer Spalt würde einen Abfall des Wirkungsgrads des Kompressors bewirken, da von dem komprimierten, unter hohen Druck gesetzten Kühlmittel eine größere Restmenge innerhalb des Zylinders 139 gelassen würde. Mit anderen Worten, das unter hohen Druck gesetzte Restkühlmittel dehnt sich erneut aus, während sich der Kolben 120 vom oberen zum unteren Totpunkt bewegt, und das Einlaßventilplättchen 103 öffnet sich nicht eher, als bis die Drücke innerhalb des Zylinders 139 und außerhalb der Einlaßventilplatte 101 gleich sind. Die Menge der Kühlmittelaufnahme wird daher sehr verringert.

Wenn der Spalt zwischen dem Kolben 120 und der Einlaßventilplatte 101 jedoch zu schmal ist, könnte die Einlaßventilplatte 101 oder das darin ausgebildete Einlaßventilplättchen 103 von den Stößen beschädigt werden, die aus dem unter hohen Druck gesetzten Kühlmittel und dem Kühlmittel-Öl-Gemisch kommen, während der Kolben 120 zum oberen Totpunkt bewegt wird. Da der Abstandsspalt zwischen der Einlaßventilplatte 101 und dem Kolben 120 mit Hilfe eines Kompromisses zwischen dem Kompressionswirkungsgrad und der Stoßtoleranz der Einlaßventilplatte 101 bestimmt werden soll, gibt es eine bestimmte Grenze für den verwirklichbaren minimalen Abstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylindervorrichtung für einen Kolbenkompressor vorzusehen, die einen minimalen Abstandsspalt zwischen dem Kolben und der Einlaßventilplatte derart aufweist, daß die Menge des Restkühlmittels verringert wird, dessen Ausdehnung den Kompressionswirkungsgrad herabsetzt, und die das Beschädigungsrisiko für die Einlaßventilplatte und das Einlaßventilplättchen durch das unter hohen Druck gesetzte Kühlmittel und Öl-Kühlmittel-Gemisch verringert.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden beispielsweise nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kolbenkompressors gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Kolbens aus Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Schnittansichten der Zylindervorrichtung im Betrieb,

Fig. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Kolbens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Kolbens gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines konventionellen Kompressors und

Fig. 8 eine vergrößerte Schnittansicht der Zylindervorrichtung der Fig. 7.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Kolbenkompressor gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie auch die konventionellen Kompressoren, die in Fig. 7 dargestellt sind, einen Antriebsmotor 90 mit einem Stator 93, einem Rotor 91 und einer Rotorwelle 95 sowie eine Zylindereinrichtung 100 mit einem Zylinder 39, einem Kolben 20 und einem Zylinderkopf 89 auf.

Zwischen dem Zylinder 39 und dem Zylinderkopf 89 ist ein Ventilsitz 11 zwischengesetzt, der eine Saug- bzw. Einlaßöffnung 17 und eine Auslaßöffnung 15 aufweist, durch die das Kühlmittel in den Zylinder 39 eingeführt bzw. aus diesem ausgelassen wird. Eine Saug- bzw. Einlaßventilplatte 1 ist zwischen den Ventilsitz 11 und den Zylinder 39 gesetzt, wobei sie ein Saug- bzw. Einlaßventilplättchen 3 zum Öffnen und Schließen der Einlaßöffnung 17 aufweist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilsitzes 11 ist ein Auslaßventilplättchen 13 so angeordnet, daß die Auslaßöffnung 15 geöffnet und geschlossen werden kann. Der Kolben 20, der in dem Zylinder 39 hin- und herbewegbar aufgenommen ist, steht über eine Pleuelstange 31 mit der Rotorwelle 95 in Verbindung.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist der Kolben 20 ein erstes Kolbenelement 21 und ein zweites Kolbenelement 25 auf, die durch Ineinander-Einsetzen miteinander verbunden sind. Das erste Kolbenelement 21 weist eine zylindrische Form auf, wobei dessen innere Oberfläche ein Aufnahmeteil 24 ausbildet. Das zweite Kolbenelement 25 weist einen Kolbenkopf 29 und ein Einführteil 27 auf, das in das Aufnahmeteil 24 des ersten Kolbenelements 21 eingesetzt ist. Das zweite Kolbenelement 25 ist mit dem ersten Kolbenelement 21 in axialer Richtung durch Einsetzen von dessen Einführteil 27 in das Aufnahmeteil 24 des ersten Kolbenelements 21 verbunden. Nimmt man auch auf Fig. 3 Bezug, die eine Schnittansicht der Zylindervorrichtung in einem zusammengebauten Zustand darstellt, so weist auch das Einführteil 27 des zweiten Kolbenelements 25 eine zylindrische Form auf, in die ein Ende der Pleuelstange 31 eingesetzt ist. Das erste Kolbenelement 21 und das Einführteil 27 des zweiten Kolbenelements 25 weisen Kolbenstiftlöcher bzw. Kolbenbolzenlöcher 23 bzw. 26 auf, die quer zu der axialen Richtung von diesen ausgebildet sind. Hier sind die Kolbenbolzenlöcher 26 des zweiten Kolbenelements 25 als in axialer Richtung längliche Schlitze ausgebildet. Ein Kolbenstift bzw. -bolzen 38 führt gleichzeitig durch die Kolbenbolzenlöcher 23 und 26 sowie ein Verbindungsloch 33, das an dem Ende der Pleuelstange 31 ausgebildet ist, um so die Kolbenelemente 21 und 25 mit der Pleuelstange 31 zu verbinden. Da die Kolbenbolzenlöcher 26 des zweiten Kolbenelements 25 als Längsschlitze ausgebildet sind, kann sich bei diesem Zustand das zweite Kolbenelement 25 in axialer Richtung in einem vorbestimmten Maße relativ zum ersten Kolbenelement 21 frei bewegen. Dementsprechend ist die Länge des Kolbens 20, der aus dem ersten Kolbenelement 21 und dem zweiten Kolbenelement 25 besteht, variabel.

Ein Federring 45 ist zwischen ein vorderes Ende des ersten Kolbenelements 21 und eine entsprechende zugehörige Oberfläche des Kolbenkopfes 29 des zweiten Kolbenelements 25 gesetzt, um so das erste Kolbenelement 21 und das zweite Kolbenelement 25 elastisch voneinander weg zu drücken. Wenn das erste Kolbenelement 21 und das zweite Kolbenelement 25 im maximalen Ausmaß voneinander weg gesetzt sind, ist ein Spalt zwischen dem Kolbenkopf 29 und der Einlaßventilplatte 1 vorteilhafterweise so aufgebaut, daß er schmaler als der von der Zylindervorrichtung des konventionellen Kompressors ist, der in Fig. 7 und 8 dargestellt ist.

Fig. 3 stellt einen Zustand dar, bei dem das erste Kolbenelement 21 und das zweite Kolbenelement 25 mit Hilfe des Federrings 45 im maximalen Ausmaß voneinander weg gebracht sind, und Fig. 4 stellt einen Zustand dar, bei dem das erste Kolbenelement 21 und das zweite Kolbenelement 25 gegen die Kraft des Federrings 45 dichter zusammengebracht sind.

Wenn der Kompressor betrieben wird, bewegt sich der Kolben 20 im Zylinder 39 hin und her. Die Bewegung des Kolbens 20 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wird von einem Druckabfall in der Zylinderkammer begleitet. Dies bewirkt, daß sich das Einlaßventilplättchen 3 zur Innenseite des Zylinders 39 hin biegt, und bewirkt das Öffnen der Einlaßöffnung 17, während die Auslaßöffnung 15 durch das Auslaßventilplättchen 13 geschlossen wird. Folglich wird das Kühlmittel aus einer Einlaßkammer in den Zylinder 39 eingesaugt. In einer ähnlichen Art und Weise bewirkt die Bewegung des Kolbens 20 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt eine Druckzunahme innerhalb des Zylinders 39. Das Auslaßventilplättchen 13 biegt sich als eine Folge dessen zur Außenseite des Zylinders 39, wodurch die Auslaßöffnung 15 geöffnet wird. Die Einlaßöffnung 17 wird durch das Einlaßventilplättchen 3 abgedichtet. Folglich wird das Kühlmittel im Zylinder 39 komprimiert und aus dem Zylinder 39 ausgelassen.

Falls der Druck des komprimierten Kühlmittels die Federkraft des Federrings 45 beim Verdichtungstakt des Kolbens 20 nicht übersteigt, dehnt sich der Federring 45 bis zu seinem Maximum aus, um zu ermöglichen, daß der Kolben 20 seine maximale Länge erreicht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Spalt zwischen dem Kolbenkopf 29 des zweiten Kolbenelements 25 und der Einlaßventilplatte 3 minimal. Da der Spalt vorteilhafterweise schmaler als der des konventionellen Kompressors ist, wird die Menge des Restkühlmittels, das in dem Spalt belassen wird, im Vergleich mit dem konventionellen Kompressor verringert, was eine Abnahme der Wiederausdehnung des Restkühlmittels und folglich eine Zunahme der Menge des eingesaugten Kühlmittels bewirkt, um so den Kompressorwirkungsgrad zu verbessern.

Wenn der Druck des komprimierten Kühlmittels die Federkraft des Federrings 45 übersteigt, zieht der Federring 45 sich zu seiner minimalen Ausdehnung zusammen, um das erste Kolbenelement 21 und das zweite Kolbenelement 25 dicht zusammenzubringen. Dies bewirkt, daß der Kolben 20 seine minimale Länge annimmt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Folglich wird der Spalt zwischen dem Kolbenkopf 29 des zweiten Kolbenelements 25 und der Einlaßventilplatte 3 maximal. D.h., der übermäßige Druck des Kühlmittels wird durch den Federring 45 aufgenommen, um zu verhindern, daß auf das Einlaßventilplättchen 1 ein Druckstoß wirkt. Wenn der Kolben 20 sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zu bewegen beginnt, läßt der Federring 45 das zweite Kolbenelement 25 am oberen Totpunkt, während der Federring 45 sich ausdehnt, um das Spaltvolumen beizubehalten. Mit anderen Worten verbleibt das zweite Kolbenelement 25 länger am oberen Totpunkt, um die Auslaßzeit des komprimierten Kühlmittels durch die Auslaßöffnung 15 zu verlängern. Demzufolge erhöht sich die Menge des ausgelassenen Kühlmittels, wodurch die Wiederausdehnung des restlichen, komprimierten Kühlmittels verringert wird.

Folglich kann die Menge des restlichen Kühlmittels, deren Ausdehnung den Kompressionswirkungsgrad herabsetzt, ungeachtet einer Veränderung beim Druck des komprimierten Kühlmittels im Zylinder 39 minimiert werden und das Risiko einer Beschädigung der Einlaßventilplatte 1 und des Einlaßventilplättchens 3 durch das unter hohen Druck gesetzte Kühlmittel und Öl-Kühlmittel-Gemisch kann offenbar verringert werden.

An der äußeren Zylinderfläche des Einführteils 27 des zweiten Kolbenelements 25 ist eine Öl- bzw. Schmiernut 28 vorgesehen. Die Schmiernut 28 führt Öl zu den Berührungsgleitflächen zwischen dem ersten Kolbenelement 21 und dem zweiten Kolbenelement 25, um die Berührungsgleitflächen zu schmieren. Darüber hinaus kann das Öl, das durch die Schmiernut 28 zugeführt wird, auf die Berührungsgleitflächen zwischen den Kolbenelementen 21, 25 und dem Zylinder 39 über den Spalt aufgetragen werden, der durch den Federring 45 ausgebildet wird, um die Berührungsgleitflächen zwischen den Kolbenelementen 21, 25 und dem Zylinder 39 zu schmieren.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weist der Kolben 50 eines anderen Ausführungsbeispiels auch ein erstes Kolbenelement 51 und ein zweites Kolbenelement 55 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz zum ersten Beispiel gemäß den Fig. 1 bis 4 hier das erste Kolbenelement 51 in das zweite Kolbenelement 55 eingesetzt. Die beiden Kolbenelemente 51 und 55 haben eine zylindrische Form. Ein Federring 45 ist zwischen ein vorderes Ende des ersten Kolbenelements 51 und eine entsprechende zugehörige innere Fläche des zweiten Kolbenelements 55 gesetzt. Das erste Kolbenelement 51 und das zweite Kolbenelement 55 weisen Kolbenbolzenlöcher 53 bzw. 56 auf, die quer zu deren axialer Richtung ausgebildet sind. Die Kolbenbolzenlöcher 56 des zweiten Kolbenelements 55 sind als in axialer Richtung längliche Schlitze ausgebildet. Ein Kolbenbolzen 38 führt gleichzeitig durch die Kolbenbolzenlöcher 53 und 56 und die Pleuelstange, um so die Kolbenelemente 51 und 55 mit der Pleuelstange zu verbinden. Da die Kolbenbolzenlöcher 56 des zweiten Kolbenelements 55 als Längsschlitze ausgebildet sind, kann sich das zweite Kolbenelement 55 in axialer Richtung in einem vorbestimmten Ausmaß relativ zum ersten Kolbenelement 51 frei bewegen. Das erste Kolbenelement 51 ist an dessen Außenfläche mit einer Schmiernut 58 zum Schmieren der Berührungsgleitflächen zwischen dem ersten Kolbenelement 51 und dem zweiten Kolbenelement 55 ausgebildet. Der Kolben 50 wird in der gleichen Art und Weise wie der Kolben 20 des ersten Ausführungsbeispiels betrieben.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, weist der Kolben 70 eines weiteren Ausführungsbeispiels auch ein erstes Kolbenelement 71 und ein zweites Kolbenelement 75 auf. Das erste Kolbenelement 71 weist Kolbenbolzenlöcher 74 auf, während das zweite Kolbenelement 75 nicht mit Kolbenbolzenlöchern ausgestattet ist. Das erste Kolbenelement 71 weist ein Verbindungsloch 72 auf, das an dessen vorderem Ende in axialer Richtung ausgebildet ist. Das zweite Kolbenelement 75 weist einen Kolbenkopf 79 und ein Einführteil 76 auf, das in das Verbindungsloch 72 in axialer Richtung einsetzbar ist. Ein freies Ende des Einführteils 76 ist mit einer Sprengringnut 77 für ein Ineingriffbringen mit einem Sprengring 73 ausgebildet, um zu verhindern, daß das Einführteil 76 aus dem Verbindungsloch 72 herauskommen kann. Das Einführteil 76 weist eine Länge auf, die groß genug ist, damit das zweite Kolbenelement 75 sich in axialer Richtung in einem vorbestimmten Ausmaß relativ zum ersten Kolbenelement 51 frei bewegen kann. Eine Feder 85 ist zwischen ein vorderes Ende des ersten Kolbenelements 71 und eine entsprechende zugehörige Fläche des zweiten Kolbenelements 75 gesetzt, um das erste Kolbenelement 71 und das zweite Kolbenelement 75 elastisch voneinander weg zu drücken. Der Kolben 70 wird in gleicher Art und Weise wie die Kolben 20 und 50 des ersten und des zweiten Ausführungsbeispieles betrieben.

Bei der Zylinderanordnung eines Kolbenkompressors wird somit der Spaltabstand bzw. Spaltfreiraum und daher die Menge des Restkühlmittels minimiert, um die Wiederausdehnung des Restkühlmittels zu verringern und die Menge des eingesaugten Kühlmittels zu erhöhen und folglich den Kompressorwirkungsgrad zu verbessern. Gleichzeitig kann das Risiko einer Beschädigung der Einlaßventilplatte und des Einlaßventilplättchens durch das unter hohen Druck gesetzte Kühlmittel und Öl-Kühlmittel-Gemisch verringert werden.

Claims (5)

1. Zylindervorrichtung für einen Kolbenkompressor mit einem Zylinder (39) und einem Kolben (20; 50; 70), der in dem Zylinder (39) in einer Hin- und Herbewegung betrieben wird, wobei der Kolben (20; 50; 70) mittels eines Kolbenbolzens (38) mit einer Pleuelstange (31) verbunden ist und der Kolben (20; 50; 70) aufweist:
ein erstes Kolbenelement (21; 51; 71), das mit der Pleuelstange (31) verbunden ist;
ein zweites Kolbenelement (25; 55; 75), das einen Kolbenkopf (29; 79) aufweist und mit dem ersten Kolbenelement (21; 51; 71) derart verbunden ist, daß es relativ zum ersten Kolbenelement (21; 51; 71) über eine vorbestimmte Länge in axialer Richtung bewegbar ist; und
ein elastisch verformbares Element (45; 65; 85), das zwischen das erste Kolbenelement (21; 51; 71) und das zweite Kolbenelement (25; 55; 75) gesetzt ist, so daß das erste Kolbenelement (21; 51; 71) und das zweite Kolbenelement (25; 55; 75) voneinander weg gedrückt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines, das erste Kolbenelement (21; 51; 71) oder das zweite Kolbenelement (25; 55; 75) in das andere eingesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kolbenelement (21; 51) und das zweite Kolbenelement (25; 55) entsprechende Kolbenbolzenlöcher (23, 26; 53, 56) aufweisen, durch die zusammen der Kolbenbolzen (38) hindurch führt, und daß die Kolbenbolzenlöcher (26; 56) des zweiten Kolbenelements (25; 55) als ein Schlitz in axialer Richtung des Kolbens (20; 50) ausgebildet sind, so daß das zweite Kolbenelement (25; 55) relativ zum ersten Kolbenelement (21; 51) in axialer Richtung bewegbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch verformbare Element (45; 65) ein Federring ist, der zwischen die distale Endfläche des ersten Kolbenelements (21; 51) und eine zugehörige Fläche des zweiten Kolbenelements (25; 55) gesetzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmiernut (28; 58) auf zumindest einer von Gleitkontakt-Gleitflächen zwischen dem ersten Kolbenelement (21; 51) und dem zweiten Kolbenelement (25; 55) ausgebildet ist.