DE2359933A1

DE2359933A1 - Zentrierende federanordnung fuer schwingkompressoren

Info

Publication number: DE2359933A1
Application number: DE2359933A
Authority: DE
Inventors: Glen Owen Adams; Owen Henry Scheldorf
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-12-07
Filing date: 1973-12-01
Publication date: 1974-06-12
Also published as: DK138817C; US3813192A; IT1002064B; JPS4988106A; DK138817B; FR2210230A5

Description

Die'hin- und herbewegbaren Haüptelemente eines elektromagnetisch betätigten, schwingenden Kompressors umfassen einen einzelnen Kolben und einen fest damit verbundenen ringförmigen Anker, der konzentrisch zum Kolben angeordnet ist. Der Kolben und der Anker sind für eine gemeinsame Hin- und Herbewegung in einem Druckzylinder bzw. einem ringförmigen Luftspalt unter den zusammenwirkenden Einflüssen einer elektromagnetischen Antriebskraft und einem entgegengesetzt wirkenden Pedersystem angebracht. Der Kolben und der. Zylinder bilden die alleinige, eine enge Toleranz aufweisende Führungsstruktur für die Hin- und Herbewegung, um die Konzentrizität der sich hin- und herbewegenden Teile aufrechtzuerhalten. Infolgedessen sind die Kompressoren dieses Typs höchst empfindlich in ihrem Leistungsvermögen aufgrund von Belastungskräften,

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die quer zur Achse der Hin- und Herbewegung wirken. Anders ausgedrückt hat jede Lastkomponente, die nicht mit den Mittellinien des Zylinders und des Kolbens zusammenfällt, die Tendenz, den Kolben "zu verspannen bzw. zu verklemmen", was zu einer übermässigen Reibung und/oder einem Pestfressen führt. Einleuchtenderweise wird die Grosse des vorgenannten Problems, das bis zu einem gewissen Grade bei jedem Zusammenwirken von Kolben und Zylinder auftritt, wesentlich verstärkt, wenn eine Einrichtung aus Kolben und Zylinder mit relativ kleinem Durchmesser verwendet wird, die notwendigerweise zusammen mit der begrenzten Antriebskraft verwendet wird, die von einem elektromagnetischen Motor zur Verfügung gestellt wird.

Üblicherweise werden gegenüberliegende Druckfedern, die auf entsprechende Weise auf gegenüberliegenden feststehenden Gehäusewänden befestigt sind und an gegenüberliegenden Seiten eines Jochs angreifen, das den Anker und den Kolben fest miteinander verbindet, verwendet, um den Kolben und den Anker in ihre Nullagen zurückzuführen. Dieses sind notwendigerweise starke Druckfedern, deren Federkonstanten nicht nur so ausgewählt sind, dass sie die relative Hin- und Herbewegung am Ende der Ankererregung dämpfen und die Rückführung aus einem Arbeitshub unterstützen, sondern um auch sicherzustellen, dass die Federn an den entgegengesetzten Enden der Hublänge unter Druck bleiben. Dies ist insbesondere deshalb notwendig, damit die Entspannung der ausgeübten Kompression die auch zusätzliche Federarbeit erbringt, um quer verlaufende Lastkräfte zu überwinden. Aufgrund der schweren Ausführung dieser Druckfedern wird deutlich, dass sie eine wesentliche Kraft auf die Kombination von Kolben und Zylinder ausüben, und es ist deshalb kritisch, dass die ausgeübte Federkraft entlang der Mittellinien von Feder, Kolben und Zylinder wirkt. Ein deutliches Kriterium für eine Kraftausübung konzentrisch zu einer Spiraldruckfeder besteht darin, das_s die reagierenden Federflächen, d.h. diejenigen, die an den vorgespannten Strukturen angreifen, senkrecht zur Achse der Federwirkung liegen, üblicherweise sind diese

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reagierenden Flächen in bezug auf. eine Federeinbauebene, die senkrecht,, zur Federachs.e verläuft, völlig flach geschliffen.

Ganz abgesehen von den teuren und zeitraubenden Bearbeitungsvorgängen, um .eine im wesentlichen koaxiale. Federkraftausübung sicherzustellen, stellt die Verwendung von zentrierenden Druckfedern ein weiteres und. spezielles Problem dar, und zwar in der Hinsicht., dass eine, selbständige Neuausrichtung der Mittellinien von Kolben.-und Zylinder nach der Ausübung eines falschen Kraftvektors verhindert wird. Somit liefert der sich schnell hin- und herbewegende Kolben eine normale Zentrierkraft, um die Mittellinienausrichtung nach einer Fehlausrichtung durch irgendeine der verschiedenen äusseren Belastungskräfte wieder herzustellen, wie beispielsweise der Ausbildung der zweiten und dritten Harmonischen bei einer hochfrequenten Hin-, und Herbewegung. Dieser normalen Rückstellkraft wird bis zu einem gewissen Grade durch die Druckfederanordnung entgegengewirkt aufgrund der relativ starren Federendenverbindungen-, da die Federn ebenfalls dazu neigen, verspannt zu werden. . .

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Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von zentrierenden Druckfedern entsteht aufgrund, der Notwendigkeit, die Federn in allen Bewe.gungs st eilungen unter Druck zu halten, womit die Wahrscheinlichkeit auftritt, dass benachbarte Federwindungen aufeinanderschlagen, wenn die eine.oder, andere der Zentrierfedern über ihre maximale Kompression hinaus zusammengedrückt wird. Dies führt selbstverständlich ,zu einem "Verbiegen" oder "Verziehen" der Feder j das einen wesentlichen, in zwei Ebenen (x-y-Ebene) verlaufenden Kraftvektor erzeugt, der ebenfalls zum "Verspannen" des Kolbens tendiert. · · ■ / -"'.-..-

Eine allgemeine Betrachtung und Erörterung der Nachteile in bekannten Druckfederbefestigungen, wie sie bei den in Rede stehen-■ ■■•M Kompressoren Anwendung finden, ist in der US-* Patentschrift !) 1*13 281 enthalten, die eine Druckfe4erbefestigung beschreibt, die gewisse Querkräfte zu kompensieren vermag.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesentlichen darin, eine zentrierende Federanordnung für einen elektromagnetisch betätigten, schwingenden Kompressor zu schaffen, die keine getrennten Federbearbeitungsvorgänge erfordert, unter Last nicht verbiegt und deren Federverankerungsflächen oder reagierende Flächen für eine relative Bewegungsfreiheit wenigstens in den x- und y-Ebenen relativ zu den vorgespannten Strukturen sorgen.

Die gewöhnlichen zentrierenden Druckfedern werden erfindungsgemäss durch gegenüberliegende Ringanordnungen aus konstant unter Zug stehenden Zugfedern ersetzt, deren reagierende Flächen oder Befestigungsverbindungen mit den vorgespannten Strukturen im Abstand angeordnete, schwenkbare Verbindungspμnkte bilden und deren gemeinsame statische Vorspannung koaxial zur Mittellinie der ringförmigen Federanordnung und dem Zylinder ist. Da die einzelnen Zugfedern mit identischen Längen und Federkonstanten ausgebildet werden können, werden ihre Federkräfte in bezug auf die Zylindermittellinie, gleichmässig ausgeübt, so dass keine Bearbeitüngsvorgänge erforderlich sind.

Die schwenkbaren Federverbindungen sorgen für eine.wesentliche Freiheit der Bewegung in den x- und y-Ebenen, während sie trotzdem sicherstellen, dass .die vorgespannten Strukturen unter einer kontinuierlichen entgegengesetzten Federbelastung stehen, um ein "Endspiel" zu verhindern, das das Ergebnis einer nicht unter Zug stehenden oder "losen" Verbindung an den .reagierenden Oberflächen der Feder sein würde.

Aufgrund der Tatsache, dass die Federn immer unter Zug stehen, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass benachbarte Windungen zusammentreffen, d.h.· die Länge und der Schlag der Feder können so gewählt werden, dass ein benachbarter Anschlag verhindert wird, solange die Federn unter Zug gehalten werden, und irgendein derartiger Anschlag, der auftreten könnte, würde einen geringen Einfluss auf die Kolbenausrichtung haben, da das dadurch

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hervorgerufene Kraftungleichgewicht an den entsprechenden Schwenkverbindungen auf wirksame Weise ausgeglichen werden würde.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht durch das Gehäuse:eines Schwingkompressors und stellt eine konventionelle zentrierende Federanordnung dar.

Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht von einem Schwingkompressor, der gegenüberliegende ringförmige Anordnungen von konstant unter Zug stehenden Zugfedern verwendet, um den Kolben und den Anker zu zentrieren. -."..·

Fig. 3 ist eine Teilschnittansieht nach einem Schnitt entlang der Linie 3~3 in. Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Detailansicht von einer leicht modifizierten Federanordnung.

In Fig. 1 ist ein Schwingkompressor 10 dargestellt, dessen Mantel 12 in einem abgedichteten Kompressorgehäuse l4 gehalten ist. Ein Kolben 16 und ein Ringanker 18 sind für.eine gemeinsame Hin- und Herbewegung in einem Kompressionszylinder 20 bzw. einem ringförmigen Luftspalt 22 angebracht. Gegenüberliegende Druckfedern 24,.26 sind auf entsprechende Weise gegen obere und untere Gehäusewände 28, 30 abgestützt, wobei ihre nahe beieinanderliegenden Enden an entgegengesetzten Seiten von einem Joch 32 angreifen, das den Kolben und den Anker fest miteinander verbindet. Der Luftspalt 22 wird zwischen den ringförmigen Polstücken 34, 36 eines Magnetkreises 38 gebildet, der durch keramische Permanentmagneten 40 erregt wird, die ein ringförmiges Polstück 34 aufweisen. Der Kompressionszylinder 20 ist fest mit dem Kompressorgehäuse, verbunden und von den ringförmigen Polstücken umgeben,

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die durch einen Weicheisen-Rückleitpfad 42 fest miteinander verbunden sind, der einen Teil der unteren Gehäusewand bildet. Der hohle Kolben 16 enthält die übliche Einlassöffnung 44. und das Einlassventil 46, wobei abgegebenes komprimiertes Gas durch das Auslassventil 48 ausgestossen wird.

Da die Kombination aus dem einzelnen Kolben und dem Zylinder die alleinige, eine enge Toleranz aufweisende Führungsstruktur für die relativ zueinander hin- und herbewegbaren Teile bildet und da die begrenzte Antriebskraft, die von einem elektromagnetischen Motor geliefert wird, die Verwendung eines relativ kleinen Durchmessers für Kolben und Zylinder verlangt, wird deutlich, dass die Steuerung von Querkräften ein wichtiger Auslegun'gsparameter für Schwingkompressoren ist. Das notwendige Vorhandensein von stark vorgespannten Zentrierfedern, die einer schnellen Kontraktion und Extension als einer Funktion der Hin- und Herbewegung von Kolben und Anker in der Grössenordnung von 60 Schwingungen pro Sekunde ausgesetzt sind, stellt eine "eingebaute" Belastungskraft dar, die, wenn sie nicht in bezug auf die Mittellinie von Kolben und'Zylinder ausgeglichen ist, eine Querbelastung hervorruft .

Die übliche Lösung für ein Grunderfordernis, dass die üblichen, konzentrischen, zentrierenden Druckfedern wenigstens ihre statische Vorspannung parallel zur Achse der Hin- und Herbewegung ausüben, ist in Fig. 1 dargestellt, in der die reagierenden Oberflächen 50 der Federn (d.h. diejenigen Federteile, die an den vorgespannten Strukturen angreifen) notwendigerweise geschliffen sind, um kumulative Reaktionsflächen darzustellen, die senkrecht zur Achse der Federschwingung verlaufen. Diese relativ grossflächigen Federendflächen sind im Grund immun gegen eine Querverschiebung zur Korrektur einer Fehlausrichtung, wie es aus der vorstehenden Beschreibung und einer Betrachtung der Fig. 1 deutlich wird.

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In den Figuren 2 und 3 ist ein Kompressorgehäuse dargestellt, das die ringförmige Anordnung von Magneten 40' verwendet und mit der in Fig. 1 gezeigten identisch ist, ausser dass die zentrierenden Druckfedern 24, 26 durch obere und untere ringförmige Zugfederanordnungeh 52, 54 ersetzt sind. Jede Federanordnung 52, 54 umfasst vier identische Federn 56»' die an den gegenüberliegenden Gehäusewänden 58, 60 und dem Joch 62 über Schwenkverbindungen 64 verankert sind. Die Längen und Konstanten der Federn 56 sind so gewählt, dass sichergestellt ist, dass alle Federn in allen Positionen der Hin- und Herbewegung des Kolbens unter Zug bleiben, um ein "Endspiel" des Kolbens zu verhindern. Da jede Reaktionsfläche der Feder im Grunde einen Schwenkpunkt bildet und da alle Schwenk- oder Verankerurigspunkte sich an weit beabstandeten Stellen befinden, sind Schleif- oder andere Vorgänge zur· Federbearbeitung nicht erforderlich. Aufgrund der Tatsache, dass jede Feder-.oder Schwenkverbindung wenigstens eine begrenzte Neuanpassung sowohl in* der -x- als auch der y-Ebene gestattet, •widersetzen sich nicht die Federn selbst der natürlichen Neuausrichtungskraft, die von dem sich hin- und lierbewegenden Kolben nach der Einwirkung von äusseren Querkräften ausgeübt wird.

Eine leicht abgewandelte Feder 56 V und verankernde Schwenkverbindungen 64' sind in Fig. 4 dargestellt, die die-entsprechenden Federn und Verbindungen gemäss den Figuren 2 und 3- ersetzen' können. " '

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Claims

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Ansprüche

(1.j Elektromagnetisch betätigter Schwingkompressor mit einem ^-^/ Kolben und einem Anker, die für eine, gemeinsame Hin- und Herbewegung in einem Zylinder bzw. einem Luftspalt unter einer kontinuierlichen Vorspannung von gegenüberliegenden Zentrierfedern angebracht sind, dadurch gekennzeichnet , dass alle sich gegenüberliegenden Zentrierfedern (56, 56·) Zugfedern sind und die Zugfedern über dem Bereich der Hin- und Herbewegung von Kolben (l6) und Anker (18) unter Zug gehalten sind.
2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die sich gegenüberliegenden Zentrierfedern (56) gegenüberliegende ringförmige Federanordnungen (52, 5^)bilden, die auf entsprechende Weise mit gegenüberliegenden Stirnwänden (58, 60) des Kompressorgehäuses und gegenüberliegenden Seiten eines Joches (62) verbunden sind, das den Kolben (16) und den Anker (l8) miteinander verbindet, wobei jede der Federverbindungen eine Schwenkverbindung (64) ist.
3. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,. dass die Zugfedern zwischen dem Gehäuse (14), das mit dem Zylinder (20) fest verbunden ist, un_d dem Kolben (16) schwenkbar verbunden sind.

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