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Kompressor mit Freiflugkolben utld hohem Verdichtungsgrad.
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Die Erfindung betrifft. einen Kompressor mit hohem Verdichtungsgrad
und Freiflugkolben.
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Bei dieser Kompressorart, insbesondere bei durch einen linearen elektromcn-etischen
Motor betätigten Kompressoren , im besonderen solchen, welche mit erzvsngener Resonanz
arbeiten, erfolgt die Bemessung für ein Nenndruckverhältnis genanntes, gegebenes
Druckverhältnis.
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Bei'gewissen Kompressoren mit linearem Motor ist dieses Verhältnis
dasjenige, für welches sich das System in Resonanz befindet.
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Wenn dieses Verhältnis wesentlich größer als die Zahl 1 ist, besteht
bekanntlich mit der ueblichen Ausbildung der Ventilplatte die Gefahr von Stößen
des Kolbens am Ende des Förderhubes, und es findet eine bedeutende Änderung der
Eigenfrequenz, und somit des elektrischen Wirkungsgrades, statt, wenn der Kompressor
mit einem Druckverhäitnis in der Nähe von 1 arbeitet.
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Es sind gewisse Mittel bekannt, um diesen Nachteilen abzuhelfen,
z.B. die in der französischen Patentschrift Nr. 1 007 910 vom 14. April 1948 beschriebenen.
In diesem Fall wird die FUrderöffnung kurz vor dem Totpunkt auf der Zylinderkopfseite
verschlossen, um in dem Zylinder eine Restdruckmittelmenge einzuschliessen, deren
Verdichtung die kinetische Energie der beweglichen Anordnung absorbiert Die französische
Patentschrift Nr. 2 158 583 vom 31. August 1971 bringt eine andere Lösung für diese
Aufgabe, index sie mittels des Kolbens den Verschluß der auf der Zylinderseite liegenden
Förderöffnung vorsieht. Die Entspannung des Druckmittels bewirkt dann eine bessere
Festlegung des Phasenwinkels zwischen der elektrischen
Spannung
und der Kolbenbewegung.
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Bei einer derartigen Ausbildung bleibt das Volumen des Restdruckmittels
im Augenblick des Verschlusses der Förderöffnung konstant. Wenn die Maschine für
ein großes Druckverhältnis bemessen ist, was z.B. bei Kompressoren für Kältemittel
der Fall ist, ist dieses Volumen notwendigerweise klein und liegt fest, da der Querschnitt
des Kolbens klein ist und der Förderhub in der åhe des Totpunkts auf der Zylinderkopfseite
beginnt. Die Erfahrung zeigt, daß dann die in diesem restlichen Raum speicherbare
Energie ungenügend ist, und daß der größte Druck übermäßig wird. Um diesen NachteiknabsuhelSen,
sieht die französische Patentanmeldung Nr. 74 04 637 vom 12. Februar 1974 ein Restdruckmittelvolumen
vor, welches durch Veränderung des Punktes des Verschlusses der Förderöffnung in
Funktion des Druckverhältnisses des Kompressors veränderlich ist. Man kann eo über
eine größere Höhe des Speicherpolsters verfügen, wenn die Druckverhältnisse in die
Xåhe von 1 streben. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß diese Vorrichtung zwar bei Luftkompressoren
befriedigend arbeitet, daß dies jedoch nicht mehr bei Kompressoren für Kältemittel
der Fall ist, und zwar infolge des Einflusses der Schwankungen des Einlaßdrucks.
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Die Erfindung bezweckt die Herstellung eines Kompressors mit hohem
Verdichtungsgrad, welcher die obigen Nachteile nicht aufweist.
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Erfindungsgemäß ist der Kompressor mit hohem Verdichtungsgrad mit
wenigstens einem Freiflugkolben, welcher in einem mit Einlaß- und Auslaßöffnungen
mit Ventilen versehenen Zylinder beweglich ist, wobei Mittel zur Betätigung der
Kolben vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei fest miteinander verbundene
Kolben aufweist, welche mit getrennten Zylindern zusammenwirken, wobei der Auslaß
eines ersten Zylinders mit dem Einlaß des anderen verbunden ist, wobei wenigstens
einer der Zylinder ein Druckmittelpolster in der Verdichtungskammer zwischen dem
Kolben und dem Boden des Zylinders enthält.
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Das Speicherpolster ist besonders wirksam, da der Förderhub infolge
der Unterteilung der Verdichtung in zwei Stufen kurz ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung befindet sich du Speicherpolster
in dem Niederdruckzylinder, was eeine Wirksamkeit infolge
der größeren
Oberfläche des Niederdruckkolbens erhöht.
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Man kann so einen sehr hohen Verdichtungsgrad erhalten, wobei man
hinsichtlich der Vermeidung von Stößen die Wirksamkeit des Speicherpolsters eines
Kompressors mit kleinem Druckverhältnis beibehält. Das Krgehnis wird mit einem Aufbau
erhalten, welcher einfacher als der zuletzt erwähnte ist, da die Anslaßöffnungen
an der Zylinderwand eine feste Lage haben.
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Gemaß einer bevorzugten Ausfuehrung befindet sich die Förderöffnung
an der Seitenwand des Zylinders und wird durch die Bewegung des Kolbens am Ende
des Hubes verschlossen, was eine technologisch sehr einfache Lösung ergibt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfassen die Betätigungsmittel
wenigstens einen linearen Motor, welcher, vorzugsweiße mit synchroner Frequenz,
eine hin- und hergehende Bewegung ausführt. Man kann so dank der Phasenberichtigung
durch das Speicherpolster bei niedrigen Förderdrücken einen elektromagnetischen
Hochdrnckkompressor herstellen, welcher eine gute Stabilität und eine gute Förderleistung
beibehält, wenn er mit niedrigem Druck arbeitet.
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Gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der Erfindung umfassen
die Betätigungsmittel einen einzigen linearen Motor, welcher wenigstens eine Feder
zusammendrückt, welche so angeordnet ist, daß sie die Kolben in dem Sinn der Verdichtung
des Druckmittels verschiebt.
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Gemäß einer dritten besonderen Ausführungsform der Errindung umfassen
die Betätigungsmittel zwei lineare rotoren, welche in Gegenphase angeordnet und
so ausgebildet sind, daß sie den Kolben eine hin- und hergehende Bewegung erteilen.
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Gesäß einer beverzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ventile
der Einlaßöffnungen wenigstens eines der Zylinder ringförmig, am Boden der betreffenden
Zylinder angeordnet und frei in Führungs- und Anschlagmitteln angebracht.
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Man vermeidet hierdurch die Veruendung der Feder, wobei die Bewegung
der Ventile durch die Trägheitskraft durch die Schwingungen des Gestells erzeugt
wird.
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Die Brfindng ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Kompressors.
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausfuehrung der
Brfindung.
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer dirtten Ausführung der
Erfindung.
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer vierten Ausführung der
Erfindung.
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Fig. 5 ist eine längs der Linie V-V der Fig. 1 geschnittene Teilansicht.
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In Fig. 1 enthält der Kompressor einen Motor 1 mit einer einzigen
beweglichen Anordnung 2, deren beide Verdichtungsstufen auf der gleichen Seite des
Magnetkerns 3 liegen. Die von dem Motor gelieferte Energie wird in einer Feder 4
gespeichert und hierauf bei dem REckgang wieder an den Kompressor abgegeben. Das
durch den Differenzquerschnitt 6 der beweglichen Anordnung beschriebene Volumen
5 bildet die erste Verdichtungsstufe, und das von dem kleinen Kolben 8 beschriebene
Volumen 7 bildet die zweite Verdichtungsstufe. Die diesbezüglichen Querschnitte
sind so berechnet, daß die Verdichtungsgrade in jeder Stufe praktisch die gleichen
sind. Die Ansaugung der ersten Stufe sowie die der zweiten Stufe bilden eine zweite
Besonderheit der Erfindung. Bei dieser Maschinenart schwingt der nicht abgeglichene
Körper mit der Erregerfrequenz mit einer Amplitude a = c#, worin c der Hub der beweglichen
Anordnung, m ihre Masse und N die des Körpers ist. Diese Schwingung ist in Gegenphase
mit der Bewegung der beweglichen Anordnung, 80 daß jedes mit dem Körper verbundene
Blement Träghe it ekräften unterworfen wird, welche an den Saugventilen so ausgenutzt
werden, daß sich diese in der NShe des Totpunkts ein Ende des Saughubes schliessen.
Die Feder zur REckholung eines jeden Saugventils auf seinen Sitz kann dann fortfallen,
was eine technologische Vereinfachung und eine Verringerung der schddliceen toten
Ränie ergibt, welche besonders vorteilhaft ist, wenn die Entspanung der Restluft
ausgenutzt wird. PUr eine gute Ausnutzung der auf jedes Ventil wirkenden Trägheitskräfte
ist eine Begrenzung des Hubes auf einen Wert erforderlich, welcher erheblich kleiner
als die Schwingamplitude a des Körpers ist. Ferner zeigt die Erfahrung, daß,wenn
außerdem eine richtige Durchlässigkeit des Ventils angestrebt wird, der größte Hub
des Ventils zwischen 0,1 a und 0,3 a liegen iiiß. Bei der ersten Stufe wird das
ringförmige
Saugventil 9 an seinem kußendurchmesser geführt und
schlägt an einem verfornbæren Ring 10 an, welcher wie ein Sprengring ausgebildet
und in einer Nut des Zylinders der ersten Stufe 11 untergebracht ist. Die für die
Ansaugung der zweiten Stufe gewählte Ausbildung stellt eine andere Abwandlung dar.
Das ebenfalls ringförmige Ventil 12 wird in einem Niet 13 gehalten, welcher eine
doppelte Aufgabe erfüllt, nämlich die der Fuilung des Ventils durch den Innendurchmesser
desselben, und die eines Anschlags. Die Anordnung der Förderöffnungen 14, 15 der
beiden Stufen an den Seitenwänden der Zylinder entspricht dem französischen Patent
Nr. 2 158 583, wobei die Lage dieser Öffnungen gegenüber dem Zylinderkopf natürlich
entsprechend dem Druckverhältnis einer jeden Stufe gewählt wird. Entsprechend der
Erfahrung weist insbesondere für gewisse Anwendungen mit Kältemitteln nur die erste
Stufe ein Speicherpolster mit vorzugsweise seitlicher Förderung auf, während die
zweite Stufe auf die bei ?6er Anordnung der Ventile übliche Weise ausgebildet ist.
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Die Förderöffnung 14 der Niederdruckstufe ist so angeordnet und bemessen,
daß,wenn der Kolben 8a bei seinem Verdichtungshub die Enrfte dieser Öffnung verschließt,
der Restquerschnitt der Öffnung größer als der Durchtrittsquerschnitt des Ventils
1 4a in der Öffnungsstellung ist. Um dieses Ergebnis zu erhalten, kann man z.B.
der Öffnung 14 eine längliche Form geben, deren kleinste Öffnung in der Richtung
der Kolbenbewegung liegt (Fig. 5).
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einem einzigen Motor 1 und einer
einzigen beweglichen Anordnung, deren beide Kolben 8, 8a jedoch beiderseits des
Magnetkerns des Motors liegen. Eine derartige Anordnung gestattet, die Förderphase
der ersten Stufe mit der Saugphase der zweiten Stufe zusammeniallenzulassen, was
die Einschaltung eines Puffervolumens zwischen den beiden Stufen vermeidet.
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Fig. 3 zeigt eine Ansführtgsabwandlung mit einer geme ins amen beweglichen
Anordnung, welche durch zwei in Gegenphase arbeitende Motoren la, ld angetrieben
wird. Die beiden Kolben 8, 8a liegen auf der gleichen Seite der beweglichen Anordnung
mit einer der Fig. 1 entsprechenden Anordnung des Kompressors.
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Fig. 4 zeigt eine AusiUhrungsiorm, welche der der Fig.3 entspricht,
wobei jedoch die beiden Stufen beiderseits der Magnetkerne
3a,
3b angeordnet sind.
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