DE19746896A1 - Kolbenkompressoren und Kolben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kompressoren der Kolbenbau­ art, welche die Rotation einer Antriebswelle in eine lineare Hin- und Herbewegung von Kolben mittels Antriebskörpern wie beispielsweise Taumelscheiben konvertieren und insbesondere Kolben für diese Kompressoren.

Ein typischer Kolben hat eine Kurbelkammer, die in einem Ge­ häuse definiert ist. Eine Antriebswelle ist drehbar in dem Ge­ häuse gelagert. Ein Teil des Gehäuses wird durch einen Zylin­ derblock gebildet. Eine Mehrzahl von Zylinderbohrungen er­ strecken sich durch den Zylinderblock. Jede Zylinderbohrung nimmt einen Kolben auf. Eine Taumelscheibe ist auf die An­ triebswelle innerhalb der Kurbelkammer aufgepaßt und abge­ stützt derart, daß sie integral mit der Antriebswelle rotiert. Schuhe sind vorgesehen, um jeden Kolben an den peripheren Ab­ schnitt der Taumelscheibe anzukoppeln. Die Taumelscheibe kon­ vertiert die Rotation der Antriebswelle in lineare Hin- und Herbewegungen der Kolben. Die Hin- und Herbewegung der Kolben komprimiert Kühlgas.

Es existiert eine Bauart für einen Kompressor, welcher eine variable Verdrängung aufweist. Solch ein Kompressor ändert die Neigung der Taumelscheibe mit Bezug zur Antriebswelle. Die Differenz zwischen dem Druck in der Kurbelkammer und dem Druck in den Zylinderbohrungen beeinflußt die Taumelscheibe über die Kolben. Folglich wird die Neigung der Taumelscheibe durch die Druckdifferenz bestimmt. Änderungen in der Neigung der Taumel­ scheibe bewirken eine Änderung des Hubs der Kolben und verän­ dern somit die Verdrängung des Kompressors. Bei einem verdrän­ gungsvariablen Kompressor ist es erforderlich, daß die Kolben so leicht wie möglich gebaut sind, um eine stabile Steuerung der Verdrängung unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen zu er­ möglichen.

Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 8-61 237 be­ schreibt einen leichten Kompressorkolben. Ein im allgemeinen ringförmiger Raum ist in dem Körper jedes Kolbens vorgesehen. Ein Paar Arme stehen von dem Kurbelkammerende jedes Kolbens in eine Richtung vor, welche sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Kolben ausrichtet. Eine Nut ist in dem distalen Ende jedes Arms ausgeformt. Eine Führungsstange erstreckt sich in die axiale Richtung der Kolben zwischen jedem Paar von angren­ zenden Zylinderbohrungen. Jede Führungsstange ist gleitfähig zwischen einem Paar von angrenzenden Armen gehalten, welche sich von dem zugehörigen Paar angrenzender Kolben aus er­ strecken. Diese Struktur begrenzt die Rotation jedes Kolbens. Dar­ über hinaus werden Seitenkräfte, die an jedem Kolben angelegt werden (Kräfte, die in eine Richtung senkrecht zur Axialrich­ tung des Kolbens einwirken) über die Arme übertragen und durch die Führungsstangen aufgenommen.

Die Trägheitskraft, welche auf jeden Kolben einwirkt, wird am größten, wenn sich der Kolben vom Ansaughub zum Kompressions­ hub hin bewegt, d. h., wenn sich der Kolben dem unteren Tot­ punkt nähert. Die Trägheitskraft jedes Kolbens wirkt auf die Taumelscheibe. Auf der anderen Seite nimmt der Kolben eine Re­ aktionskraft von der Taumelscheibe auf. Infolge der Neigung der Taumelscheibe wirkt ein Teil der Reaktionskraft in eine Seitenrichtung und preßt den Kolben gegen die Wand der zugehö­ rigen Zylinderbohrung. Darüber hinaus wird eine Reibungskraft zwischen der Taumelscheibe und dem Kolben erzeugt. Dies er­ zeugt eine weitere Seitenkraft, welche bewirkt, daß sich der Kolben in die Rotationsrichtung der Taumelscheibe neigt bzw. verbiegt. Diese Seitenkraft wirkt ferner in eine Richtung, welche den Kolben gegen die Wand der Zylinderbohrung drückt. Solch eine Seitenkraft wird durch die zugehorigen Arme über­ tragen und von den Führungsstangen aufgenommen.

In dem Kompressor der vorstehend beschriebenen Veröffentli­ chung werden Dimensionsdifferenzen zwischen den Armnuten und den Führungsstangen erzeugt, wenn der Kompressor zusammenge­ baut wird. Um solche Abmessungsdifferenzen zu verringern, müs­ sen die Kompressorkomponenten maschinell akkurat produziert werden. Folglich ist die Herstellung dieser Kompressorteile äußert schwierig. Darüber hinaus erstrecken sich die Führungs­ stangen durch die Kurbelkammer von dem vorderen Gehäuse und in den Zylinderblock. Die Führungsstangen sind an dem Zylinder­ block fixiert. Wenn die Führungsstangen installiert werden, dann müssen die Führungsstangen durch die Nuten der sich ge­ genüberliegenden Arme eingesetzt werden, was äußerst lästig ist.

Um das Einsetzen der Führungsstangen zwischen den Nuten der sich gegenüberliegenden Arme zu erleichtern, kann ein größerer Spalt zwischen der Wand der Nuten und den Führungsstangen vor­ gesehen werden. Jedoch würde ein solcher Spalt darin resultie­ ren, daß die Führungsstangen an den Nutenwänden anschlagen, wenn diese Seitenkräfte aufnehmen. Dies würde eine unerwünsch­ te Geräuschentwicklung bewirken.

Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kompressor zu schaffen, der mit Kolben ausgerüstet ist, welche deren Herstellung erleichtern und welche in einfacher Weise in dem Kompressor eingebaut werden können und die darüber hinaus stabil und leicht sind.

Zur Erreichung der vorstehend genannten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung einen Kompressor der Kolbenbauart sowie einen Kolben zur Installation und Verwendung in diesem Kom­ pressor. Der Kompressor hat eine Zylinderbohrung für das Auf­ nehmen des Kolbens. Die Zylinderbohrung ist durch eine Ober­ fläche definiert, welche gleitfähig den Kolben abstützt. Der Kompressor hat desweiteren einen Antriebskörper, welcher auf einer Antriebswelle gelagert ist. Der Antriebskörper ist mit dem Kolben wirkverbunden, um eine Rotation der Antriebswelle in eine Hin- und Herbewegung des Kolbens zu konvertieren. Der Kolben hat einen Kopf für das Komprimieren von Gas, welches in die Zylinderbohrung gefördert wird. Der Kopf ist an einem er­ sten Ende des Kolbens angeordnet. Der Kolben hat ein zweites Ende gegenüberliegend zu dem ersten Ende. Ein Saum oder Rand ist an diesem zweiten Ende ausgeformt. Der Saum bzw. die Schürze ist ausgeformt, um mit dem Antriebskörper gekoppelt zu werden. Eine erste Dichtung und eine zweite Dichtung sind an dem ersten Ende des Kolbens angeordnet. Die erste und zweite Dichtung weisen jeweils eine periphere Fläche auf, die ständig mit der Fläche der Zylinderbohrung in Kontakt ist, wenn der Kolben installiert ist. Eine ringförmige Nut ist zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung angeordnet. Wenn der Kolben installiert wird und wenn eine Kraft auf den Kolben in eine Richtung quer zu der Achse des Kolbens auf diesen Kolben einwirkt, dann wird die Kraft durch zumindest eine der ersten und zweiten Dichtungen aufgenommen. Ein Raum öffnet sich zu der Seite des Kolbens. Der Raum ist zwischen der zweiten Dich­ tung und der Schürze angeordnet. Eine Brücke ist zwischen der zweiten Dichtung und der Schürze angeordnet, um die zweite Dichtung mit der Schürze zu verbinden.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleiten­ den Zeichnungen ersichtlich, welche beispielhaft die Prinzipi­ en der Erfindung illustrieren.

Die Merkmale der Erfindung, welche als neu und erfinderisch betrachtet werden, werden insbesondere in den anliegenden An­ sprüche angegeben. Die Erfindung sowie deren Einzelheiten und Vorteile können jedoch am besten Verstanden werden unter Be­ zugnahme auf die nachfolgende Beschreibung vorliegender bevor­ zugter Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Zeichnun­ gen.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, welche ein er­ stes Ausführungsbeispiel für einen Kompressor gemäß der vor­ liegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2 ist eine Perspektivenansicht, die den Kolben des Kompressors gemäß der Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 ist eine Perspektivenansicht, welche einen Kolben darstellt, der in einem zweiten Ausführungsbeispiel ge­ mäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 4 ist eine Draufsicht, die den Kolben von Fig. 3 zeigt,

Fig. 5 ist eine Perspektivenansicht, welche einen Kolben zeigt, der in einem dritten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 6 ist eine Draufsicht, die den Kolben von Fig. 5 zeigt,

Fig. 7 ist eine Perspektivenansicht, die einen Kolben darstellt, der in einem vierten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird und

Fig. 8 ist eine Perspektivenansicht, die einen Kolben zeigt, der in einem fünften Ausführungsbeispiel gemäß der vor­ liegenden Erfindung verwendet wird.

Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen verdrängungsvariablen Kompressor gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 nunmehr beschrieben.

Wie in der Fig. 1 gezeigt wird ist ein vorderes Gehäuse 11 an ein vorderes Ende eines Zylinderblocks 12 angeschlossen. Ein hinteres Gehäuse 13 ist an das hintere Ende des Zylinderblocks 12 angeschlossen. Das vordere Gehäuse 11, der Zylinderblock 12 sowie das hintere Gehäuse 13 bilden das Gesamtgehäuse des Kom­ pressors.

Eine Ansaugkammer 13a sowie eine Auslaßkammer 13b sind in dem hinteren Gehäuse 13 ausgebildet. Eine Ventilplatte 14 mit An­ saugklappen 14a und Auslaßklappen 14b ist zwischen dem hinte­ ren Gehäuse 13 und dem Zylinderblock 12 angeordnet. Eine Kur­ belkammer 15 ist in dem vorderen Gehäuse 11 vor dem Zylinder­ block 12 ausgebildet. Eine Antriebswelle 16 erstreckt sich durch die Kurbelkammer 15 zwischen dem vorderen Gehäuse 11 und dem Zylinderblock 12. Ein Paar Radiallager 17 stützen drehbar die Antriebswelle 16 ab.

Ein Rotor 18 ist auf der Antriebswelle 16 fixiert. Eine Tau­ melscheibe 19 ist auf die Antriebswelle 16 innerhalb der Kur­ belkammer 15 aufgepaßt. Die Taumelscheibe 19 ist derart abge­ stützt, daß sie sich gleitfähig in Axialrichtung der Antriebs­ welle 16 bewegen läßt und dabei bezüglich der Antriebswelle 16 neigen läßt. Die Taumelscheibe 19 ist an den Rotor 18 mittels eines Scharniermechanismus 20 angeschlossen. Der Scharnierme­ chanismus 20 führt die Bewegung der Taumelscheibe 19 in die Axialrichtung der Antriebswelle 16 sowie die Neigungsbewegung der Taumelscheibe 19 mit Bezug zur Antriebswelle 16. Der Scharniermechanismus 20 dreht ebenfalls die Taumelscheibe 19 integral mit der Antriebswelle 16.

Ein Anschlag 19a ist an der vorderen Fläche der Taumelscheibe 19 vorgesehen. Das Anschlagen des Anschlags 19a gegen den Ro­ tor 18 bestimmt die maximale Neigungsposition der Taumelschei­ be 19. Ein Anschlagring 16b ist auf der Antriebswelle 16 vor­ gesehen. Das Anschlagen der Taumelscheibe 19 gegen den An­ schlagsring 16b begrenzt eine weitere Neigungsbewegung der Taumelscheibe 19 und bestimmt folglich die minimale Neigungs­ position der Taumelscheibe 19. Eine Mehrzahl von Zylinderboh­ rungen 12a erstrecken sich durch den Zylinderblock 12 um die Antriebswelle 16 herum. Ein Einzelkopfkolben 21 ist hin- und herbewegbar in jeder Zylinderbohrung 12a untergebracht. Jeder Kolben 21 hat einen Kopf 21a, der in den Zylinderbohrungen 12a gehalten bleibt, sowie ein Saum bzw. eine Schürze 12b, die von dem Kopf 21a in Richtung zur Kurbelkammer 15 vorsteht. Die Schürze 12b ist mit einem Schlitz 21d versehen, der der Tau­ melscheibe 19 zugewandt ist. Eine konkave Aufnahmefläche 21c ist in jedem der sich gegenüberliegenden Wände des Schlitzes 21d ausgebildet. Jede Aufnahmefläche 21c nimmt den halbkugel­ förmigen Abschnitt eines Schuhs 22 auf.

Die Peripherie der Taumelscheibe 19 ist in den Schlitz 21d je­ des Kolbens 21 eingepaßt und wird gleitfähig zwischen den fla­ chen Abschnitten der jeweils zugehörigen paar Schuhe 22 gehal­ ten. Die Rotation der Antriebswelle 16 wird in die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens 21 innerhalb der zugehörigen Zylinderbohrung 12a mittels der Taumelscheibe 19 und der Schu­ he 22 konvertiert. Wenn der Kolben 21 von dessen oberem Tot­ punkt zu dessen unterem während des Ansaughubes bewegt wird, dann öffnet das Kühlgas innerhalb der Ansaugkammer 13a die zu­ gehorige Ansaugklappe 14a und strömt in die Zylinderbohrung 12a ein. Wenn sich der Kolben 21 von dessen unterer Totpunkt zu dem oberen Totpunkt während des Kompressionshubes bewegt, dann wird das Kühlgas innerhalb der Zylinderbohrung 12a kom­ primiert. Das komprimierte Gas öffnet die zugehörige Auslaß­ klappe 14b und strömt in die Auslaßkammer 13b ein.

Ein Schublager 23 ist zwischen dem Rotor 18 und der vorderen Wand des Vordergehäuses 11 angeordnet. Das vordere Gehäuse 11 nimmt die Reaktionskraft auf, welche auf jeden Kolben 21 wäh­ rend der Kompression des Gases einwirkt und zwar über die Schuhe 22, die Taumelscheibe 19, den Scharniermechanismus 20 den Rotor 18 sowie das Schublager 23. Ein Druckkanal 24 er­ streckt sich durch den Zylinderblock 12, die Ventilplatte 14 sowie das hintere Gehäuse 15, um die Ansaugkammer 13b mit der Kurbelkammer 15 fluid zu verbinden. Ein Verdrängungssteue­ rungsventil 25 ist in dem hinteren Gehäuse 13 mit dem Druckka­ nal 24 verbunden, der sich hierdurch erstreckt. Das Steuerven­ til 25 hat eine Ventilbohrung 27, einen Ventilkörper 26, der zur Ventilbohrung 27 hin ausgerichtet ist, sowie ein Diaphrag­ ma 28 für das Einstellen des Öffnungsbereichs der Ventilboh­ rung 27. Ein Druckverbindungskanal 29 ist dafür vorgesehen, den Druck der Ansaugkammer 13a (Ansaugdruck) an das Diaphragma 28 anzulegen. Das Diaphragma 28 bewegt den Ventilkörper 26, und stellt den Bereich der Ventilbohrung 27 ein, welche durch den Ventilkörper 26 entsprechend dem angelegten Druck geöffnet wird.

Das Steuerventil 25 ändert somit den Betrag an Kühlgas, der in die Kurbelkammer 15 durch den Druckkanal 24 von der Auslaßkam­ mer 13b einströmt, und stellt somit den Druck innerhalb der Kurbelkammer 15 ein. Eine Änderung des Drucks in der Kurbel­ kammer 15 bewirkt eine Änderung der Differenz zwischen dem Druck in der Kurbelkammer 15, der auf die Bodenfläche jedes Kolbens 21 einwirkt (die linke Fläche gesehen in der Fig. 1) und dem Druck in der zugehörigen Zylinderbohrung 12a, der auf die Kopffläche des Kolbens 21 einwirkt (die rechte Fläche ge­ sehen in der Fig. 1). Die Neigung der Taumelscheibe 15 wird demzufolge geändert in Übereinstimmung mit den Änderungen be­ züglich dieser Druckdifferenz. Dies wiederum bewirkt eine Än­ derung des Hubs des Kolbens 21 und variiert die Verdrängung des Kompressors.

Eine Überdruckkanal 30 verbindet die Kurbelkammer 15 mit der Ansaugkammer 13a. Der Überdruckkanal 30 wird durch einen Axialkanal 16a, der sich durch die Mitte der Antriebswelle 16 erstreckt, eine Haltebohrung 12b, die in der Mitte des Zylin­ derblocks 12 definiert ist, eine Druckfreigabenut 12c, die sich durch die hintere Fläche des Zylinderblocks 12 erstreckt, sowie eine Druckfreigabe- bzw. Entspannungsbohrung 14c ausge­ bildet, die sich durch die Ventilplatte 14 erstreckt. Der Ein­ laß des Axialkanals 16a ist mit der Kurbelkammer 15 in der Nachbarschaft oder Nähe des vorderen Radiallagers 17 ange­ schlossen. Ein bestimmter Betrag des Kühlgases innerhalb der Kurbelkammer 15 wird folglich konstant in die Ansaugkammer 14a durch den Entspannungskanal 30 eingesaugt.

Ein Schublager 31 sowie eine Spiralfeder 32 sind in der Halte­ bohrung 12b zwischen dem hinteren Ende der Antriebswelle 16 und der Ventilplatte 14 angeordnet.

Der Aufbau der Kolben 21 wird nachstehend im einzelnen be­ schrieben. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird hat jeder Kolben 21 eine im allgemeinen T-förmige Rotationsbegrenzung 33, die an dem Ende der Schürze 21b ausgebildet ist. Die Be­ grenzung 33 umfaßt eine bogenförmige Fläche 33a, die zu der inneren Wand des vorderen Gehäuses 11 hin ausgerichtet ist. Der Krümmungsradius der Bogenfläche 33a ist im wesentlichen der gleiche wie der der inneren Wand des vorderen Gehäuses 11. Wenn der Kolben 21 hin und her bewegt wird, dann kommt die Bo­ genfläche 33a der Begrenzung 33 in Flächenkontakt mit der in­ neren Wand des vorderen Gehäuses 11. Dies verhindert, daß sich der Kolben 21 um dessen Achse C1 dreht.

Jeder Kolben 21 hat eine erste Dichtung 34, die an einer Peri­ pherie des Kopfs 21a ausgebildet ist. Die periphere Fläche der ersten Dichtung 34 gleitet entlang der Wand der zugehörigen Zylinderbohrung 12a. Eine zweite Dichtung 35 ist nahe der er­ sten Dichtung 34 vorgesehen. Eine ringförmige Nut 36 ist zwi­ schen den ersten und zweiten Dichtungen 34, 35 definiert. Die periphere Fläche der zweiten Dichtung 35 gleitet ebenfalls entlang der Wand der zugehörigen Zylinderbohrung 12a. Die zweite Dichtung 35 ist derart angeordnet, daß sie niemals aus der Zylinderbohrung 12a heraus bewegt wird und folglich nie­ mals zur Kurbelkammer 12a hin freiliegt, selbst wenn der Kol­ ben 21 an dessen unterem Totpunkt in einem maximalen Kolben­ hubzustand angeordnet ist (ein Zustand, in welchem die Taumel­ scheibe 19 in ihrer maximaler Neigungsposition plaziert ist). In anderen Worten ausgedrückt verbleibt die zweite Dichtung 35 stets innerhalb der Zylinderbohrung 12a. Die ersten und zwei­ ten Dichtungen 34, 35 funktionieren dahingehend, Seitenkräfte oder Kräfte quer zu Achse der Kolben 21 aufzunehmen, was nach­ folgend noch im einzelnen beschrieben wird.

Ein Raum 38 ist in der Mitte des Kolbens 21 ausgebildet. Der Raum 38 öffnet sich in Richtung einer seitlichen Richtung des Kolbens 21. Infolge des Raums 38 erhält die Mitte des Kolbens 21 einen C-förmigen Querschnitt. Der C-förmige Abschnitt funk­ tioniert als eine Art Brücke 37 für das Überbrücken bzw. Ver­ binden der zweiten Dichtung 35 und der Schürze 21b. Die äußere Fläche der Brücke 37 bildet eine Gleitfläche 37a, die gegen­ über der inneren Wand der Zylinderbohrung 12a gleitet. Die Gleitfläche 37a ist semizylindrisch und ist zu der Achse C0 der Taumelscheibe 19 (oder der Antriebswelle 16) zugewandt. Die Fortsätze der Fläche 37a sind im allgemeinen zu den an­ grenzenden Kolben 21 hin zugewandt, d. h., sie sind in Richtun­ gen ausgerichtet, welche im allgemeinen tangential zur Taumel­ scheibe 19 mit Bezug zu einer Tangente verlaufen, die an dem Ort der Schuhe 22 genommen wird.

Die ringförmige Nut 36 sowie der Raum 38 können während des Gießens des Kolbens 21 ausgeformt werden. Sie können aber auch durch Bearbeiten der Oberfläche des gegossenen Kolbens 21 aus­ geformt werden. Die ringförmige Nut 36 sowie der Raum 38 ver­ ringern das Gewicht des Kolbens 21.

Der Betrieb bzw. die Wirkungsweise des vorstehend beschriebe­ nen verdrängungsvariablen Kompressors wird nachfolgend be­ schrieben.

Die Antriebswelle 16 wird durch eine externe Antriebseinrich­ tung wie beispielsweise ein Kraftfahrzeugmotor angetrieben und gedreht. Die Taumelscheibe 19 dreht sich integral mit der An­ triebswelle 16 mittels des Rotors 18 und des Scharniermecha­ nismus 20. Die Rotation der Taumelscheibe 19 wird in eine li­ neare Hin- und Herbewegung jedes Kolbens 21 innerhalb der zu­ gehörigen Zylinderbohrung 12a durch die Schuhe 22 konvertiert. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens 21 saugt das Kühlgas in­ nerhalb der Ansaugkammer 13a in die Zylinderbohrung 12a durch die entsprechende zugehörige Ansaugklappe 14a. Wenn das Kühl­ gas innerhalb der Zylinderbohrung 12a auf einen vorbestimmten Druck komprimiert ist, dann wird das Gas in die Auslaßkammer 13b durch die entsprechende zugehörige Auslaßklappe 14b ausge­ stoßen.

Wenn während des Betriebs des Kompressors die Kühlforderung groß wird und folglich die an den Kompressor angelegte Last sich erhöht, dann wirkt ein hoher Druck innerhalb der Ansaug­ kammer 13a auf das Diaphragma 28 des Steuerventils 25, was be­ wirkt, daß der Ventilkörper 26 die Ventilbohrung 27 ver­ schließt. Dies schließt den Druckkanal 26 und stoppt die Strö­ mung an hochkomprimiertem Kühlgas von der Auslaßkammer 13b zu der Kurbelkammer 15. In diesem Zustand wird das Kühlgas inner­ halb der Kurbelkammer 15 in die Ansaugkammer 13a durch den Überdruckkanal 30 entspannt. Dies verringert den Druck inner­ halb der Kurbelkammer 15. Folglich wird die Differenz zwischen dem Druck in der Kurbelkammer 15 und dem Druck in der Zylin­ derbohrung 12a klein. Als ein Ergebnis hiervon wird die Tau­ melscheibe zu deren maximaler Neigungsposition bewegt, wie dies durch die durchgezogenen Linien in der Fig. 1 darge­ stellt ist, wobei der Hub des Kolbens 21 maximal wirkt. In diesem Zustand ist die Verdrängung des Kompressors ebenfalls maximal.

Falls die Kühlforderung sich verkleinert und demzufolge die an den Kompressor angelegte Last ebenfalls kleiner wird, dann wirkt ein niederer Druck innerhalb der Ansaugkammer 13a auf das Diaphragma 28 des Steuerventils 25 und bewirkt, daß der Ventilkörper 26 die Ventilbohrung 27 entsprechend öffnet. Hierdurch wird hochkomprimiertes Kühlgas innerhalb der Auslaß­ kammer 13b zu der Kurbelkammer 15 über den Druckkanal 26 ge­ fördert, wobei der Druck der Kurbelkammer 15 vergrößert wird. Folglich wird die Differenz zwischen dem Druck in der Kurbel­ kammer 15 und dem Druck in den Zylinderbohrungen 12a groß. Als ein Ergebnis hiervon wird die Taumelscheibe in Richtung zur minimalen Neigungsposition bewegt, wobei der Hub des Kolbens 21 verkleinert wird. In diesen Zustand wird die Verdrängung des Kompressors klein.

Das Diaphragma 28 stellt den Bereich der Ventilbohrung 27, welche durch den Ventilkörper 26 geöffnet wird, entsprechend dem Ansaugdruck, der dieses beaufschlagt ein. Der Öffnungsbe­ reich der Ventilbohrung 27 ändert die Strömungsrate an Kühl­ gas, das zu der Kurbelkammer 15 von der Auslaßkammer 13b aus­ gegeben wird und ändert somit den Druck in der Kurbelkammer 15. Änderungen des Drucks innerhalb der Kurbelkammer 15 bewir­ ken eine Änderung der Neigung der Taumelscheibe 19. Folglich wird die Kompressorverdrängung optimal durch Ändern des An­ saugdrucks gesteuert.

Die Seitenkräfte, die jeden Kolben 21 während des Betriebs des Kompressors beaufschlagen, werden nachfolgend im einzelnen be­ schrieben. Eine Seitenkraft bezieht sich auf eine Kraft, die den Kolben 21 durch die Wand der zugehörigen Zylinderbohrung 12a (Reaktionskraft) beaufschlagt, wenn die periphere Fläche des Kolbens 21 gegen die Wand der Zylinderbohrung 12a gepreßt wird. Wenn beispielsweise der Kolben 21 von dem Ansaughub zu dem Kompressionshub überwechselt, d. h., wenn der Kolben 21 sich in der Nähe des unteren Totpunktes befindet, wie bei­ spielsweise der untere Kolben 21, der in der Fig. 1 gezeigt wird, dann wird die Trägheitskraft, die auf den Kolben 21 ein­ wirkt, maximal. In Fig. 1 ist die Trägheitskraft, die auf den Kolben 21 einwirkt, mit F0 gekennzeichnet. Die Trägheitskraft F0 des Kolbens 21 wird auf die Taumelscheibe 19 angelegt. Dem­ entsprechend empfängt der Kolben 21 eine Reaktionskraft Fs, die mit der Trägheitskraft F0 assoziiert ist und zwar von der geneigten Taumelscheibe 19. Die Reaktionskraft Fs wird aufge­ teilt in eine Kraftkomponente f1, die in Axialrichtung des Kolbens 21 wirkt, sowie in eine Komponentenkraft bzw. eine Kraftkomponente f2, welche in die Radialrichtung des Kolbens 21 wirkt. Die Kraftkomponente f2 verbiegt oder neigt die Schürze 21b des Kolbens 21 in die Richtung der Kraftkomponente f2.

Aus diesem Grunde wird die Peripherie der zweiten Dichtung 35 nahe der Brücke 37 gegen die Wand der Zylinderbohrung 12a durch eine Kraft entsprechend der Kraftkomponente F2 gepreßt. In anderen Worten ausgedrückt nimmt die zweite Dichtung 25 ei­ ne Reaktionskraft (Seitenkraft) Fa auf, welche in Assoziation zu der Kraftkomponente f2 steht und zwar von der Wand der Zy­ linderbohrung 12a. Darüber hinaus nimmt die periphere Fläche des vorderen Endes der ersten Dichtung 34 eine Reaktionskraft (Seitenkraft) Fb auf, welche in Assoziation mit der Kraftkom­ ponente f2 steht und zwar ausgehend von der Wand der Zylinder­ bohrung 12a.

Folglich wird die Seitenkraft, die auf den Kolben 21 einwirkt, durch die Dichtungen 34, 35 aufgenommen, zwischen denen die ringförmige Nut 36 angeordnet ist. Dies stabilisiert die Hin- und Herbewegung des Kolbens 21. Folglich existiert im Unter­ schied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Kompressor keine Notwendigkeit, eine Struktur in der Schürze 21b des Kol­ bens 21 bereit zu stellen, um diejenigen Seitenkräfte aufzu­ nehmen, die auf den Kolben 21 einwirken. Darüber hinaus hat die Begrenzung 33, welche an der Schürze 21b vorgesehen ist, einen einfachen Aufbau. Folglich nimmt der Kolben 21 insgesamt eine einfache Form an. Dies erleichtert die Herstellung und Bearbeitung der Kolben 12 und vereinfacht ferner den Zusammen­ bau des Kompressors.

Eine Seitenkraft, welche bewirkt, daß der Kolben 21 in Rotati­ onsrichtung der Taumelscheibe 19 geneigt bzw. verbogen wird, wird durch die Reibungskraft zwischen der Taumelscheibe 19 und den Schuhen 22 erzeugt. Die Seitenkraft drückt den Kolben 21 gegen die Wand der Zylinderbohrung 12a. Diese Seitenkraft wird von der Gleitfläche 37a aufgenommen, welche zu der Achse der Taumelscheibe 19 hin ausgerichtet ist. Dies stabilisiert wei­ ter die Hin- und Herbewegung des Kolbens 21.

Eine große Kompressionsreaktionskraft wirkt auf die Kolben 21, wenn diese sich in der Nähe oder Nachbarschaft deren oberen Totpunktpositionen befinden, wie beispielsweise der obere Kol­ ben 21 gemäß der Fig. 1 diese Kompressionsreaktionskraft, welche auf den Kolben 21 einwirkt, wird auf die Taumelscheibe 19 aufgebracht. Folglich nimmt der Kolben 21 eine Reaktions­ kraft auf, welche der Kompressionsreaktionskraft zugehörig ist und zwar von der geneigten Taumelscheibe 19. Ein Teil dieser Reaktionskraft wirkt als eine Seitenkraft, welche die Schürze 2b des Kolbens 21 einwärts in Richtung zur Achse C0 der Tau­ melscheibe 19 (und der Antriebswelle 16) neigt, bzw. verbiegt. Folglich wirkt eine Seitenkraft auf den Kolben 21. Die Seiten­ kraft wird durch die Gleitfläche 37a aufgenommen, welche zu der Achse C0 der Taumelscheibe 19 hin ausgerichtet ist. Dies stabilisiert weiter die Hin- und Herbewegung des Kolbens 21.

Falls die Differenz zwischen dem Druck in der Kompressionskam­ mer, die in jeder Zylinderbohrung 12a definiert wird und dem Druck in der Kurbelkammer 15 groß wird, dann neigt das Kühlgas innerhalb der Kompressionskammer dazu, in die Kurbelkammer 15 durch den Spalt zwischen dem entsprechenden zugehorigen Kolben 21 und der Wand der Zylinderbohrung 12 auszulecken. Jedoch ist der Kolben gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit der ringförmi­ gen Nut 36 zwischen der ersten Dichtung 34, welche auf der Kompressionskammerseite der Nut 36 angeordnet ist und der zweiten Dichtung 35 versehen, die auf der Kurbelkammerseite der Nut 36 angeordnet ist. Der Druck in der ringförmigen Nut 36 ist niedriger als der Druck der Kompressionskammer, jedoch höher als der Druck der Kurbelkammer 15. Folglich absorbiert die ringförmige Nut 36 plötzliche Druckänderungen innerhalb der Kompressionskammer und der Kurbelkammer 15. Darüber hinaus schaffen die zwei Dichtungen 34, 35 eine Zweischrittdich­ tungsstruktur. Hierdurch wird in positiver Weise der Raum zwi­ schen dem Kolben 21 und der Zylinderbohrung 12a abgedichtet, wobei in effektiver Weise eine Leckage an Kühlgas in die Kur­ belkammer 15 von der Kompressionskammer aus unterdrückt werden kann.

Die ringförmige Nut 36 sowie der Raum 38 verringern das Ge­ wicht des Kolbens 21. Dies verringert die Trägheitskraft des Kolbens 21. Folglich wird die Seitenkraft, welche der Träg­ heitskraft zugeordnet wird, verringert. Dies verringert eine Abnützung verursacht durch die Gleitbewegung des Kolbens 21 entlang der Wand der Zylinderbohrung 12a und stabilisiert dar­ über hinaus die Hin- und Herbewegung des Kolbens 21. Wenn je­ der Kolben 21 die Nähe des unteren Totpunkts erreicht, dann wirkt eine große Trägheitskraft in eine Richtung, in welche die Neigung der Taumelscheibe 19 erhöht wird. Folglich wird der Einfluß, welcher die Trägheitskraft des Kolbens 21 auf die Neigung der Taumelscheibe 19 hat verringert, wenn die Träg­ heitskraft kleiner wird. Folglich wird infolge des geringeren Gewichts des Kolbens 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Verdrängung des Kompressors in einer stabilieren Weise gesteu­ ert.

Kolben mit Hohlräumen zur Verringerung des Gewichts sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Solche hohlförmigen Kolben werden hergestellt durch Verbinden zweier hohler zylin­ drischer Bauteile. Jedoch ist dieses Herstellungsverfahren äu­ ßerst schwierig und lästig. Im Vergleich hierzu ist der Kolben 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit dem Raum 38 versehen, der sich zu der Seite des Kolbens 21 hin öffnet. Der Raum 38 ist in einfacher Weise während des Gießens des Kolbens 21 aus­ formbar oder wenn die Oberfläche des gegossenen Kolbens 21 be­ arbeitet wird. Folglich ist im Vergleich zu den hohlförmigen Kolben gemäß dem Stand der Technik der leichtgewichtige Kolben 21 einfacher herstellbar.

Ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend beschrieben. Teile, welche von dem er­ sten Ausführungsbeispiel abweichen, werden dabei im einzelnen beschrieben.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt wird, ist der Raum 38 ring­ förmig und öffnet sich in Richtung zur Peripherie des Kolbens 21. Die Brücke 37 ist entlang der Achse C1 des Kolbens 21 zwi­ schen der Schürze 21b und der zweiten Dichtung 35 vorgesehen. Eine ringförmige Nut 39 erstreckt sich um die Peripherie der ersten Dichtung 34, um einen Kolbenring 40 aufzunehmen.

In der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Seitenkräfte, welche der Trägheitskraft des Kolbens 21 zuzuordnen sind, durch die ersten und zweiten Dichtungen 34, 35 aufgenommen. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Bearbeitung der Kolben 21 sowie die Montage bzw. der Zu­ sammenbau des Kompressors erleichtert. Der Kolben 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls leicht.

Der Raum 38 erstreckt sich um den gesamten Kolben 21. Dies be­ wirkt in effektiver Weise eine Reduktion des Gewichts des Kol­ bens 21. Die Kompressionsreaktionskraft, die auf dem Kopf 21a einwirkt, wird durch die Brücke 37, die sich entlang der Achse C1 des Kolbens 21 erstreckt, übertragen. Die Brücke 37 ist derart demissioniert, daß sie eine adäquate Festigkeit garan­ tiert.

Der Kolbenring 40, welcher auf der ersten Dichtung 34 angeord­ net ist, dichtet desweiteren in positiver Weise den Raum zwi­ schen der ersten Dichtung 34 und der Wand der Zylinderbohrung 12a ab. Der Kolbenring 40 kann aber auch auf der zweiten Dich­ tung 35 angeordnet sein, oder lediglich auf der zweiten Dich­ tung 35 anstelle der ersten Dichtung 34.

Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend beschrieben. Teile, die von denen des ersten Ausführungsbeispiels abweichen, werden dabei im einzel­ nen beschrieben.

Wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, erstreckt sich der Raum 38, der in Richtung zweier entgegengesetzter Seiten des Kolbens 21 geöffnet ist, durch den Kopf 21a in eine radiale Richtung der Antriebswelle 16. Zwei Brücken 37 sind zwischen der Schürze 21b und der zweiten Dichtung 35 vorgesehen. Die Gleitflächen 37a der Brücken 37 sind im allgemeinen zu den an­ grenzenden Kolben 21 hin ausgerichtet. D.h., jede Fläche 37a ist im allgemeinen in Richtung einer Tangente zu der Taumel­ scheibe 19 ausgerichtet, die an dem Ort der entsprechenden Schuhe 22 verläuft.

In der gleichen Weise wie bei den vorstehend bereits beschrie­ benen Ausführungsbeispielen werden die Seitenkräfte, welche der Trägheitskraft des Kolbens 21 zuzuordnen sind, durch die ersten und zweiten Dichtungen 34 und 35 aufgenommen. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Bearbeitung des Kol­ bens 21 sowie die Montage und der Zusammenbau des Kompressors erleichtert. Der Kolben 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls leicht.

In der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Seitenkräfte, die der Reibungskraft zuzuordnen sind, welche zwischen der Taumelscheibe 19 und den Schuhen 22 erzeugt wird, durch die Gleitflächen 37a aufgenommen, welche im allgemeinen zu einer Tangente zu der Taumelscheibe 19 hin ausgerichtet sind, welche an dem Ort der entsprechenden Schuhe 22 abgenommen ist. Folglich wird die Hin- und Herbewegung des Kolbens 21 weiter stabilisiert.

Die Formen der Brücke 37 und des Raums 38 sind nicht auf die Formen begrenzt, welche anhand des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels beschrieben worden sind, sondern können in willkürlicher Weise geändert werden. Beispielsweise ist in einem vierten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Er­ findung die Brücke 37 auf dem Kolben 21 flach und erstreckt sich axial entlang des Kolbens 21, wie dies in der Fig. 7 ge­ zeigt wird. Die Brücke 27 gemäß der Fig. 7 hat ein Paar Gleitflächen 37a. Jede Gleitfläche 37a ist im allgemeinen ei­ ner Tangente der Taumelscheibe 19 hin ausgerichtet, welche an dem Ort der korrespondierenden Schuhe 22 abgenommen ist. Ein Raum 38 ist an jeder Seite der Brücke 37 angeordnet, wie dies in der Fig. 7 gezeigt wird.

Fig. 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel gemäß der vorlie­ genden Erfindung. Ähnlich wie beim vierten Ausführungsbeispiel ist die Brücke 37 des Kolbens 21 flach und erstreckt sich axial entlang des Kolbens 21. Die Brücke 37 ist in einem rech­ ten Winkel mit Bezug zu der Brücke 37 gemäß dem vierten Aus­ führungsbeispiel ausgerichtet. Eine der Gleitflächen 37a ist zur Achse C0 der Taumelscheibe 19 (oder der Antriebswelle 16) hin ausgerichtet, während die andere Gleitfläche 37a in die gegenüberliegende Richtung hin ausgerichtet ist. Ein Raum 38 ist dabei auf jeder Seite der Brücke 37 ausgebildet, wie dies in der Fig. 8 gezeigt wird.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht begrenzt auf verdrängungsvariable Kompressoren sondern kann auch bei einem Kompressor mit einer fixen Verdrängung verwendet werden.

Es sollte für einen Durchschnittsfachmann dabei ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung in zahlreichen anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne das hierbei vom Geist und Umfang der Erfindung abgewichen wird. Aus diesem Grunde sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen lediglich als illustrativ und nicht restriktiv zu betrachten, wobei die Erfindung nicht auf die Einzelheiten die darin ange­ geben werden beschränkt sein soll, sondern innerhalb des Um­ fangs und Äquivalentbereichs der anliegenden Ansprüche modifi­ ziert werden kann.

Ein Kolben 21 zur Verwendung in einem Kompressor wird vorlie­ gend offenbart. Der Kolben 21 hat einen Kopf 21a für das Kom­ primieren von Gas sowie eine Schürze 21b, die an eine Taumel­ scheibe 19 angeschlossen ist. Eine erste Dichtung 34 sowie ei­ ne zweite Dichtung 35, welche ständig mit einer Zylinderboh­ rung 12a in Kontakt gehalten werden, sind an dem Kopf 21a aus­ gebildet. Eine ringförmige Nut 36 ist zwischen den ersten und zweiten Dichtungen (Dichtungsringen) 34, 35 ausgeformt. Sei­ tenkräfte, die auf den Kolben 21 einwirken, werden durch die ersten und zweiten Dichtungen 34, 35 aufgenommen. Ein Hohlraum oder Spalt 38 ist in dem Kolben 21 ausgeformt, derart, das er sich an der Seite des Kolbens 21 zwischen der zweiten Dichtung 35 und der Schürze 21b öffnet. Dies verringert das Gewicht ei­ nes Kolbens 21 und stabilisiert somit die Bewegung des Kolbens 21.

Claims (9)

1. Kolben zur Installation und Verwendung in einem Kompressor, wobei der Kompressor eine Zylinderbohrung (12a) für das Aufnehmen des Kolbens (21) hat, wobei die Zylinderboh­ rung (12a) durch eine Fläche definiert ist, welche gleitfähig den Kolben (21) abstützt, wobei der Kompressor desweiteren ei­ nen Antriebskörper (19) hat, der auf einer Antriebswelle (16) abgestützt ist, wobei der Antriebskörper (19) mit dem Kolben (21) wirkverbunden ist, um eine Rotation der Antriebswelle (16) in eine Hin- und Herbewegung des Kolbens (21) zu konver­ tieren, wobei der Kolben (21) einen Kopf (21a) hat für das Komprimieren von Gas, welches in die Zylinderbohrung (12a) ge­ fördert wird, wobei der Kopf (21a) an einem ersten Ende des Kolbens (21) plaziert ist, wobei der Kolben (21) ein zweites Ende gegenüber dem ersten Ende hat, wobei eine Schürze (21b) an dem zweiten Ende ausgeformt ist, wobei die Schürze (21b) dafür ausgeformt ist, um mit dem Antriebskörper (19) wirkver­ bunden zu werden, gekennzeichnet durch
eine erste Dichtung (34) und eine zweite Dichtung (35) die an dem ersten Ende des Kolbens (21) plaziert sind, wobei die erste und zweite Dichtung (34, 35) jeweils periphere Flächen haben, die ständig mit der Fläche der Zylinderbohrung (12a) in Kontakt sind, wenn der Kolben (21) installiert ist, wobei eine Ringnut (36) zwischen der ersten Dichtung (34) und der zweiten Dichtung (35) vorgesehen ist und wobei dann, wenn der Kolben (21) installiert ist und wenn eine Kraft auf den Kolben (21) in eine Richtung quer zu der Achse (C1) des Kolbens (21) ein­ wirkt, die Kraft durch zumindest eine der ersten und zweiten Dichtungen (34, 35) aufnehmbar ist,
einen Raum (38), der sich zu der Seite des Kolbens (21) hin öffnet, wobei der Raum (38) zwischen der zweiten Dichtung (35) und der Schürze (21b) plaziert ist und
eine Brücke (37), die zwischen der zweiten Dichtung (35) und der Schürze (21b) angeordnet ist, um die zweite Dichtung (35) mit der Schürze (21b) zu verbinden.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (37) eine Position immer hat, welche die Achse (C1) des Kolbens (21) beinhaltet.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (38) ringförmig um die Brücke (37) ausgebildet ist.

4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (37) eine Gleitfläche (37a) für das Berühren der Fläche der Zylinderbohrung (12a) hat.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskörper (19) dreht, um den Kolben (21) hin- und herzubewegen, wobei zumindest ein Teil der Gleichfläche (37a) in eine Richtung ausgerichtet ist, die tangential zu dem An­ triebskörper (19) mit Bezug zu einer Tangente ist, die an ei­ nem Punkt verläuft, in welchem der Kolben (21) an den An­ triebskörper (19) gekoppelt ist, wenn der Kolben (21) instal­ liert ist.

6. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Gleitfläche (37a) in Richtung zur Achse (C0) der Antriebswelle (16) hin ausgerichtet ist, wenn der Kolben (21) installiert ist.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolbenring (40) an zumindest einer der ersten und zweiten Dichtungen (34, 35) befestigt ist.

8. Kompressor mit einem Kolben mit den Merkmalen ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Kompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskörper eine Taumelscheibe (19) ist, die innerhalb einer Kurbelkammer (15) angeordnet ist und schwenkbar auf der Antriebswelle (16) gelagert ist, wobei die Neigung der Taumel­ scheibe (19) variiert entsprechend der Differenz zwischen dem Druck in der Kurbelkammer (15) und dem Druck, der den Kopf (21a) beaufschlagt, wobei der Kolben (21) mit einem Hub bewegt wird, basierend auf der Neigung der Taumelscheibe (19), um die Verdrängung des Kompressors zu steuern, wobei der Kompressor desweiteren eine Einrichtung (25) für das Einstellen der Dif­ ferenz zwischen dem Druck in der Kurbelkammer (15) und dem den Kopf (21a) beaufschlagenden Druck hat.