DE4229978C2 - Kompressor mit mehreren Axialkolben und Druckausgleichseinrichtungen - Google Patents
Kompressor mit mehreren Axialkolben und DruckausgleichseinrichtungenInfo
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- DE4229978C2 DE4229978C2 DE4229978A DE4229978A DE4229978C2 DE 4229978 C2 DE4229978 C2 DE 4229978C2 DE 4229978 A DE4229978 A DE 4229978A DE 4229978 A DE4229978 A DE 4229978A DE 4229978 C2 DE4229978 C2 DE 4229978C2
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Description
Die Erfindung betrifft einen Mehrkolben-Axialkompressor gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die JP-OS (Kokai) 59-1 45 378 beschreibt einen Taumelscheiben
kompressor als Beispiel für einen Mehrkolben-Axialkompressor
bzw. einen Axialkolbenkompressor mit mehreren Kolben, welcher
für den Einsatz in einer Fahrzeug-Kühlanlage, insbesondere
einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage geeignet ist. Der bekannte
Taumelscheibenkompressor umfaßt: Einen vorderen und einen
hinteren Zylinderblock, die axial derart aneinander angren
zen, daß zwischen ihnen eine Taumelscheibenkammer ausgebildet
wird, wobei in jedem der zusammengebauten Zylinderblöcke die
selbe Anzahl von Zylinderbohrungen ausgebildet ist und wobei
die Zylinderbohrungen des vorderen Zylinderblockes mit den
Zylinderbohrungen des hinteren Zylinderblockes fluchten, wäh
rend dazwischen die Taumelscheibenkammer liegt. Von jedem
Paar von fluchtenden Zylinderbohrungen wird jeweils ein dop
peltwirkender Kolben gleitverschieblich aufgenommen. An den
äußeren Stirnflächen der zusammengebauten Zylinderblöcke sind
über eine vordere bzw. eine hintere Ventilplattenanordnung
ein vorderes bzw. ein hinteres Gehäuse befestigt, die zusam
men mit der betreffenden Ventilplattenanordnung jeweils eine
Ansaugkammer und eine Auslaßkammer definieren. Eine drehbare
Antriebswelle ist so angeordnet, daß sie das vordere Gehäuse
und die zusammengebauten Zylinderblöcke axial durchgreift und
trägt in der Taumelscheibenkammer eine drehfest montierte
Taumelscheibe, welche mit den doppeltwirkenden Kolben in
Eingriff steht, um diese in den paarweise fluchtenden Zylin
derbohrungen bei sich drehender Antriebswelle zu einer Hin-
und Herbewegung anzutreiben.
Die vordere und die hintere Ventilplattenanordnung haben im
einzelnen im wesentlichen denselben Aufbau und umfassen je
weils ein scheibenförmiges Element mit einem Satz von Öffnun
gen, die eine Ansaugöffnung und eine Auslaßöffnung umfassen,
wobei jeder Satz von Öffnungen zur Herstellung einer Verbin
dung mit der zugeordneten Zylinderbohrung in dem vorderen
bzw. dem hinteren Zylinderblock geeignet ist. An der Innen
seite jedes der scheibenförmigen Elemente ist jeweils eine
innere Blattfederventilscheibe mit einstückig angeformten
Blattfedern vorgesehen, von denen jede so angeordnet ist, daß
mit ihrer Hilfe die betreffende Ansaugöffnung in dem schei
benförmigen Element geöffnet und geschlossen werden kann.
Eine äußere Blattfederventilscheibe ist an der Außenseite
jedes der scheibenförmigen Elemente befestigt und besitzt
einstückig angeformte Blattfederelemente, von denen jedes so
angeordnet ist, daß mit seiner Hilfe die betreffende Auslaß
öffnung des scheibenförmigen Elements geöffnet und geschlos
sen werden kann. Jede der Ventilanordnungen ist außerdem mit
Ansaugöffnungen versehen, welche mit Kanälen im vorderen bzw.
im hinteren Zylinderblock fluchten, so daß die Ansaugkammern
im vorderen und im hinteren Gehäuse mit der Taumelscheiben
kammer verbindbar sind, wobei den Ansaugkammern ein Fluid
bzw. ein Kältemittel von einem Verdampfer einer Klimaanlage
bzw. eines Kühlsystems über eine geeignete Einlaßöffnung
zuführbar ist, die in den zusammengebauten Zylinderblöcken
vorgesehen ist.
Bei einem Taumelscheibenkompressor der vorstehend beschrie
benen Art wird die Antriebswelle von einem Motor, insbeson
dere von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, ange
trieben, so daß sich die Taumelscheibe in der Taumelscheiben
kammer dreht und dadurch eine Hin- und Herbewegung der dop
peltwirkenden Kolben in den Paaren fluchtender Zylinderboh
rungen herbeiführt. Wenn ein Kolben in einem Paar von fluch
tenden Zylinderbohrungen zu einer Hin- und Herbewegung ange
trieben wird, dann wird in einer Zylinderbohrung ein Saug
hub ausgeführt und in der anderen Zylinderbohrung ein Kom
pressionshub. Während des Saughubs wird das Ansaug-Blatt
federventilelement geöffnet und das Auslaß-Blattfederventil
element geschlossen, so daß das Kältemittel aus der Ansaug
kammer über die Ansaugöffnung in die Zylinderbohrung strömen
kann. Während des Kompressionshubes ist das betreffende
Ansaug-Blattfederventilelement geschlossen, während das be
treffende Auslaß-Blattfederventilelement geöffnet ist, so daß
das angesaugte Kältemittel komprimiert und aus der Zylinder
bohrung durch die Auslaßöffnung in die Auslaßkammer ausgestoßen
wird.
Wenn der Kompressionshub beendet ist, d. h., wenn der Kolben
seinen oberen Totpunkt erreicht, verbleibt unvermeidlich eine
geringe Restmenge des komprimierten Kältemittels in einem
kleinen Raum zwischen dem Zylinderkopf und der Ventilplatten
anordnung sowie in der Auslaßöffnung, die in der Ventil
plattenanordnung ausgebildet ist. Wenn der Kolben dann von
seinem oberen Totpunkt in Richtung auf seinen unteren Tot
punkt bewegt wird, d. h. wenn der Saughub eingeleitet wird,
dann kann folglich nicht sofort Kältemittel über das Ansaug
ventilelement aus der Ansaugkammer in die Zylinderbohrung
gesaugt werden, da die Restmenge des komprimierten Kälte
mittels unter einem Druck steht, der höher ist als derjenige
in der Ansaugkammer. Zu Beginn eines Saughubes wird also zu
nächst lediglich die Restmenge des komprimierten Kältemittels
in der Zylinderbohrung expandiert, so daß das Ansaugen von
Kältemittel aus der Ansaugkammer erst dann beginnen kann,
wenn das zuvor komprimierte Kältemittel so weit expandiert
ist, daß sein Druck niedriger als der Druck in der Ansaug
kammer ist.
Bei einem konventionellen Taumelscheiben- bzw. Axialkolben
kompressor der vorstehend beschriebenen Art ist das in der
Praxis erreichbare Ansaugvolumen für das Kältemittel bei
einem Saughub wegen der im Zylinder verbleibenden Restmenge
des komprimierten Kältemittels niedriger als das theoretische
Ansaugvolumen, so daß die theoretische Förderleistung eines
konventionellen Kompressors mit mehreren Axialkolben nicht
voll genutzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsge
mäßen Kompressor mit mehreren Axialkolben, bei dem beim Kom
pressionshub in der betreffenden Zylinderbohrung eine gewisse
Restmenge des komprimierten Kältemittels zurückbleibt, eine
erhöhte Förderleistung zu erreichen und das theoretisch
mögliche Ansaugvolumen so weit wie möglich anzunähern.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kompressor gemäß
der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Aus der DE-OS 22 53 419 ist es zwar bereits bekannt, bei
einer Axialkolbenmaschine während des Betriebes über spezielle
Ventileinrichtungen Verbindungen zwischen augewählten
Zylinderbohrungen herzustellen; die genannte Druckschrift betrifft
jedoch einen anderen Maschinentyp, nämlich eine Axialkolbenmaschine
mit einer umlaufenden, gegen eine Steuerfläche
anliegenden Zylindertrommel, wobei die Ventileinrichtungen
durch Kanäle in einer Schrägscheibe gebildet werden, die jeweils
über eine Kolbenbohrung mit dem Inneren der Zylinderräume
verbindbar sind.
Weiterhin ist aus der US-PS 20 16 802 ein Axialkolbenkompressor
in Form eines Taumelscheibenkompressors bekannt, bei
dem ein drehbares Ventilelement vorgesehen ist, welches jedoch
anders als das erfindungsgemäß vorgesehene drehbare Ventilelement
dazu dient, für die einzelnen Zylinderbohrungen
jeweils eine Verbindung zu einem Auslaß des Kompressors herzustellen.
Es ist ein besonderer Vorteil des Kompressors gemäß der Erfindung,
daß aus den einzelnen Zylindern unmittelbar nach
Beendigung eines Kompressionshubes die Restmenge des
komprimierten Kältemittels bzw. Fluids schnell abgeführt
werden kann, um einen Druckabbau zu erreichen, der zu Beginn
des Saughubes praktisch sofort ein Ansaugen von neuem Kälte
mittel aus der Ansaugkammer ermöglicht, wobei das angesaugte
Volumen im wesentlichen gleich dem theoretisch maximal mög
lichen Ansaugvolumen wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtungen
ein drehbares Ventilelement umfassen, welches drehfest auf
der Antriebswelle sitzt und einen durch den Ventilkörper
hindurchgehenden Kanal aufweist, über den die Restmenge des
komprimierten Fluids einer anderen Zylinderbohrung zugeführt
werden kann.
Gemäß einer Variante hat es sich auch als vorteilhaft er
wiesen, in einem drehfest mit der Antriebswelle verbundenen
drehbaren Ventilelement an der Mantelfläche desselben einen
Kanal in Form einer eine geschlossene Schleife bildenden Nut
vorzusehen, über die die Restmenge des komprimierten Fluids
an Ende eines Kompressionshubes einem anderen Zylinder zu
führbar ist.
Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn das drehbare
Ventilelement Kanaleinrichtungen umfaßt, über die das zu kom
primierende Fluid jeder der Zylinderbohrungen zuführbar ist,
wenn der betreffende Kolben einen Saughub ausführt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nach
stehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Taumelscheiben
kompressor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines drehbaren
Ventilelements des Taumelscheibenkompressors gemäß
Fig. 1 und 2;
Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu
sammenhangs zwischen dem Druck P in einer Kompres
sionskammer des Kompressors und dem Drehwinkel 0 des
drehbaren Ventilelements;
Fig. 5 einen Teil-Längsschnitt durch einen gegenüber dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 abgewandelten
Taumelscheibenkompressor;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines drehbaren
Ventilelements des Kompressors gemäß Fig. 5;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch das Ventilelement gemäß Fig.
6 längs der Linie VII-VII in dieser Figur, und
Fig. 8 einen Querschnitt durch das Ventilelement gemäß Fig.
7 längs der Linie VIII-VIII in dieser Figur.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Taumelscheibenkompressor mit
mehreren axial hin- und herbeweglichen Kolben, bei dem die
Erfindung verwirklicht ist und der in einer Klima- bzw. Kühl
anlage für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Kraftfahrzeug,
eingesetzt werden kann. Der Kompressor umfaßt einen Zylinder
block 10 sowie ein vorderes Gehäuse 12 und ein hinteres Ge
häuse 14, wobei diese beiden Gehäuse mit der vorderen bzw.
hinteren Stirnfläche jeweils sicher und mittels O-Ringen 16
bzw. 18 hermetisch dichtend verbunden sind. Beim Ausführungs
beispiel besitzt der Zylinderblock 10, wie Fig. 2 zeigt,
sechs Zylinderbohrungen 20A, 20B, 20C, 20D, 20E und
20F, die in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen von
einander angeordnet sind, die in axialer Richtung verlaufen
und von denen jede der gleitverschieblichen Aufnahme eines
Kolbens 22 dient. Das vordere Gehäuse 12 definiert eine Tau
melscheibenkammer 24, während in dem hinteren Gehäuse 14 eine
zentrale Ansaugkammer 26 und eine ringförmige Auslaßkammer 28
ausgebildet sind, die durch einen ringförmigen Wandbereich
14a voneinander getrennt sind, welcher von der Innenwand des
hinteren Gehäuses 14 absteht. Beim Ausführungsbeispiel stehen
die Ansaugkammer 26 und die Auslaßkammer 28 in Verbindung mit
einem Verdampfer bzw. einem Kondensator der Klimaanlage, so
daß ein Fluid bzw. Kältemittel von dem Verdampfer der Ansaug
kammer zugeführt wird, während ein komprimiertes Kältemittel
von der Auslaßkammer zu dem Kondensator geliefert wird.
Eine Ventilplattenanordnung 30 ist zwischen der hinteren
Stirnfläche des Zylinderblockes 10 und dem hinteren Gehäuse
14 angeordnet und definiert zusammen mit den von den Zylin
derbohrungen 20A-20F aufgenommenen Kolben 22 Kompressions
kammern 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F. Die Ventilplattenan
ordnung 30 umfaßt ein scheibenförmiges Element 34, eine
Blattfederventilscheibe 36, die auf der Außenseite des schei
benförmigen Elements 34 angeordnet ist und eine Niederhalte
platte 38, die auf der Außenseite der Blattfederventilscheibe
36 angeordnet ist. Das scheibenförmige Element 34 kann aus
einem geeigneten Metallmaterial, wie z. B. Stahl, hergestellt
werden und besitzt sechs Auslaßöffnungen 40, die in Umfangs
richtung in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet
sind, derart, daß jede Auslaßöffnung in einem Endbereich der
zugeordneten Zylinderbohrung 20A bis 20F liegt. Die Blattfeder
ventilscheibe 36 kann aus Federstahl, Phosphorbronze oder
dergleichen hergestellt werden und besitzt sechs Blattfeder
elemente, die einstückig an einem zentralen Teil angeformt
sind, radial von diesem abstehen und in Umfangsrichtung mit
den Auslaßöffnungen 40 fluchten, derart, daß jedes der Blatt
federelemente aufgrund seiner Federwirkung in eine Offen
stellung und eine Schließstellung bezüglich der zugeordneten
Auslaßöffnung 40 bewegbar ist. Die Niederhalteplatte (Fänger)
38 kann aus einem geeigneten Metallmaterial, wie z. B. Stahl,
hergestellt werden und ist vorzugsweise mit einer sehr dünnen
Gummischicht beschichtet. Die Niederhalteplatte 38 besitzt
sechs Niederhalteelemente 40, die einstückig an ein zentrales
Teilstück der Platte angeformt sind, in radialer Richtung von
diesem abstehen und in Umfangsrichtung mit den Blattfeder
elementen 42 fluchten. Jedes der Niederhalteelemente 44 bie
tet für das zugeordnete Auslaß-Blattfederelement 42 eine
schräge Stützfläche, so daß die Blattfederelemente jeweils
nur bis auf einen vorgegebenen Winkel öffnen, der durch die
schräge Stützfläche definiert ist.
Eine Antriebswelle 46 ragt konzentrisch zur Längsachse des
vorderen Gehäuses 12 in dieses hinein, wobei ein Ende der
Antriebswelle 46, welches nach außen aus einer Öffnung vor
steht, die in einem halsförmigen Teil 12a des vorderen Ge
häuses 12 vorsteht, der Herstellung einer Antriebsverbindung
mit einem Antriebsaggregat des Fahrzeugs dient, so daß die
Antriebswelle 46 durch das betreffende Antriebsaggregat zu
einer Drehbewegung antreibbar ist. Die Antriebswelle 46 ist
drehbar in einem ersten Radiallager 48 gelagert, welches in
einer Öffnung des halsförmigen Teils 12a des vorderen Gehäu
ses 12 vorgesehen ist, sowie durch ein zweites Radiallager
50, welches in einer zentralen Bohrung des Zylinderblockes 10
angeordnet ist. In der Öffnung des halsförmigen Teils 12a
ist ferner eine Dichtungseinheit 52 angeordnet, um die
Taumelscheibenkammer 24 am Wellenauslaß nach außen
abzudichten.
Auf der Antriebswelle 46 ist ein plattenförmiges Antriebs
element 54 drehfest montiert. Zwischen dem Antriebselement 54
und der Innenwand des vorderen Gehäuses 12 ist ferner ein
Drucklager 56 montiert. Außerdem ist auf der Antriebswelle 46
eine Hülse 58 gleitverschieblich montiert, welche mit einem
Paar von diametral nach außen abstehenden Zapfen 60 versehen
ist. (In Fig. 1 ist lediglich einer der Zapfen 60 durch eine
gestrichelte Linie angedeutet.) Wie Fig. 1 zeigt, ist ferner
eine ringförmige Taumelscheibe 62 vorgesehen, welche eine
Mittelöffnung aufweist, die von der Antriebswelle 46 durch
griffen wird. Das plattenförmige Antriebselement 54 ist mit
einer Verlängerung bzw. einem Arm 54a versehen, in dem ein
länglicher Führungsschlitz 54b ausgebildet ist. Die Taumel
scheibe 62 ist ferner mit einem einstückig angeformten Bügel
62a versehen, der ein zapfenförmiges Element 62b aufweist,
welches von dem Führungsschlitz 54b aufgenommen wird, so daß
sich die Taumelscheibe 62 gemeinsam mit dem plattenförmigen
Antriebselement 54 drehen und eine Schwenkbewegung um die an
der Hülse 58 vorgesehenen Zapfen 60 ausführen kann, die in
zugeordnete Öffnungen (nicht gezeigt) der Taumelscheibe 62
eingreifen. Eine Taumelplatte 64 sitzt auf einem einstückig
angeformten nabenförmigen Teil 62c der Taumelscheibe 62, wo
bei zwischen der Taumelscheibe 62 und der Taumelplatte 64 ein
Drucklager 66 angeordnet ist.
Mit Hilfe einer Schraubenfeder 68, welche auf der Antriebs
welle 46 montiert ist, wird die Hülse 58 ständig federnd ge
gen das Antriebselement 54 gedrückt. Speziell ist die Schrau
benfeder 68 in zusammengepreßtem Zustand zwischen einem be
weglichen Ring 70, der gleitverschieblich auf der Antriebs
welle 46 sitzt, und einem feststehenden Ring 72 angeordnet,
der sicher an der Antriebswelle 46 befestigt ist. Auf diese
Weise wird die Hülse 58 federnd gegen das plattenförmige
Antriebselement 54 vorgespannt.
Zum Herbeiführen einer Hin- und Herbewegung der Kolben 22 in
den Zylinderbohrungen 20A-20F steht die Taumelplatte 64
über sechs Verbindungsstangen 74 in Antriebsverbindung mit
den Kolben 22, wobei die Verbindungsstangen an ihren Enden
Kugelelemente 74a, 74b aufweisen, die von kugelförmigen Aus
sparungen bzw. Lagerschuhen in der Taumelplatte 64 bzw. in
den zugeordneten Kolben 22 aufgenommen werden. Aufgrund
dieser Ausgestaltung schwenkt die Taumelplatte 64 bei Antrieb
der Taumelscheibe 62 über die Antriebswelle 46 um die
zapfenförmigen Elemente 60, so daß die einzelnen Kolben 22 in
ihrer jeweils zugeordneten Zylinderbohrung 20A-20F zu einer
Hin- und Herbewegung angetrieben werden. Die Taumelscheiben
kammer 24 kann über ein geeignetes Steuerventil (nicht ge
zeigt) in Verbindung mit der Ansaugkammer 26 und/oder der
Auslaßkammer 28 stehen, so daß der Druck innerhalb der Tau
melscheibenkammer 24 variiert werden kann, wodurch wiederum
der Hub der Kolben 22 einstellbar ist.
Wie Fig. 1 zeigt, ist gemäß der Erfindung ein drehbares Ven
tilelement 75 gleitverschieblich in einem zylindrischen Raum
angeordnet, der durch ein Teilstück der zentralen Bohrung des
Zylinderblockes 10, eine zentrale Öffnung der Ventilplatte 30
und eine zentrale Aussparung definiert wird, die teilweise
durch die ringförmige Trennwand - Wandbereich 14a - des hin
teren Gehäuses 14 definiert wird. Das drehbare Ventilelement
75 ist drehfest mit dem inneren bzw. hinteren Ende der An
triebswelle 46 verbunden. Zu diesem Zweck ist das drehbare
Ventilelement 75 in seiner einen Stirnfläche mit einer zen
tralen Aussparung 76 versehen, an welche eine radiale Keilnut
76a angrenzt. Andererseits ist die Antriebswelle 46 mit einem
zapfenförmigen Vorsprung 78 versehen, der angrenzend an ihre
innere Stirnfläche angeordnet ist und einen radial abstehen
den Keil 78a aufweist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der
zapfenförmige Vorsprung 78 mit dem Keil 78a wird in die Aus
sparung 76 mit der Keilnut 76a derart eingesetzt, daß eine
drehfeste Verbindung zwischen der Antriebswelle 46 und dem
drehbaren Ventilelement 75 geschaffen wird. Wie Fig. 1 zeigt,
wird das drehbare Ventilelement 75 durch ein Drucklager 80
abgestützt, welches in der zentralen Aussparung angeordnet
ist, die teilweise durch die ringförmige Trennwand 14a des
hinteren Gehäuses 14 definiert wird.
Das drehbare Ventilelement 75 ist in seiner anderen Stirn
fläche mit einer Aussparung 82 versehen und weist in seiner
Mantelfläche eine bogenförmige Nut 84 auf. Die Aussparung 82
öffnet sich zu der Ansaugkammer 26 und steht über einen
radialen Kanal 86, der in dem drehbaren Ventilelement 75 vor
gesehen ist, wie dies am besten aus Fig. 3 deutlich wird, mit
der bogenförmigen Nut 84 in Verbindung. Außerdem ist der
Zylinderblock 10 mit sechs nutförmigen radialen Kanälen 88A,
88B, 88C, 88D, 88E und 88F versehen, die in seiner hinteren
Stirnfläche ausgebildet sind und jeweils von einer der Kom
pressionskammern 32A bis 32F zu der zentralen Bohrung des
Zylinderblockes 10 führen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Wenn sich das drehbare Ventilelement 75 in der in Fig. 2
durch einen Pfeil R angedeuteten Drehrichtung dreht, dann
kommen die nutförmigen Kanäle 88A-88F nacheinander in Ver
bindung mit der bogenförmigen Nut 84. Während der Drehung der
Welle 46 wird das Kältemittel aus der Ansaugkammer 26 folg
lich nacheinander durch die Aussparung 82, den radialen Kanal
86 und die bogenförmige Nut 84 zu den Kompressionskammern
32A-32F geleitet.
Das drehbare Ventilelement 75 ist ferner mit einem diametral
verlaufenden, durchgehenden Kanal 90 versehen. Bei einer Dre
hung des drehbaren Ventilelements 75 werden die Paare von
einander diametral gegenüberliegenden Kompressionskammern 32A
und 32D; 32B und 32E; 32C und 32F nacheinander über den dia
metral verlaufenden Kanal 90 miteinander verbunden. Wie aus
Fig. 2 deutlich wird, ist der Abstand W1 zwischen einem in
Laufrichtung vorderen Ende der bogenförmigen Nut 84 und dem
betreffenden offenen Ende des durchgehenden Kanals 90 gleich
dem Abstand W1 zwischen dem hinteren Ende der bogenförmigen
Nut 84 und dem betreffenden offenen Ende des durchgehenden Ka
nals 90, wobei dieser Abstand W1 größer ist als die Breite
W2 der radialen nutförmigen Kanäle 88A-88F. Der
Kanal 90 kann also nicht durch die bogenförmige Nut 84 mit
einem der nutförmigen Kanäle 88A-88F verbunden werden.
Im Betrieb werden die Kolben 22 bei sich drehender Antriebs
welle 46 in den Zylinderbohrungen 20A-20F zu einer Hin- und
Herbewegung angetrieben, so daß in jeder der Zylinderbohrun
gen 20A-20F alternierend ein Saughub und ein Kompressions
hub durchgeführt werden. Während des Saughubs, d. h. während
der Bewegung eines Kolbens 22 vom oberen Totpunkt zum unteren
Totpunkt wird das Kältemittel aus der Ansaugkammer 26 durch
die Aussparung 82, den radialen Kanal 86 und die bogenförmige
Nut 84 in die betreffende Kompressionskammer 32A-32F einge
saugt. Während des Kompressionshubes, d. h. während einer Be
wegung des Kolbens 22 vom unteren Totpunkt zum oberen bzw.
hinteren oder äußeren Totpunkt wird das Kältemittel in den be
treffenden Kompressionskammern 32A-32F komprimiert und dann
aus dieser über das betreffende Blattfederventil 42 in die
Auslaßkammer 28 ausgestoßen.
Wenn der Kompressionshub in einer der Zylinderbohrungen 20A-
20F beendet ist, d. h. wenn der betreffende Kolben 22 seinen
oberen Totpunkt erreicht, verbleibt unvermeidlich ein Teil
des komprimierten Kältemittels in dem kleinen Volumen der be
treffenden Kompressionskammer 32A-32F, das durch die Ven
tilplattenanordnung 30 und den zum oberen Totpunkt bewegten
Kolbenkopf sowie das Volumen der Auslaßöffnung 40 des schei
benförmigen Elements 34 definiert ist. Diese restliche Menge
des komprimierten Kältemittels wird erfindungsgemäß aus der
betreffenden Kompressionskammer abgelassen, unmittelbar ehe
für diese der nächste Saughub eingeleitet wird, wie dies
nachstehend noch näher erläutert wird.
Wenn sich beispielsweise das drehbare Ventilelement 75 in der
in Fig. 2 gezeigten Winkelstellung befindet, dann hat sich
der Kolben 22 in der Zylinderbohrung 20A gerade in eine Posi
tion unmittelbar vor Erreichen seines oberen Totpunkts be
wegt, nämlich in eine Position unmittelbar vor dem Ende des
Kompressionshubs, während sich der Kolben 22 in der Zylinder
bohrung 20D in eine Position unmittelbar vor dem Erreichen
des unteren Totpunkts bewegt hat, nämlich in eine Position,
die dem nächsten Kompressionshub unmittelbar vorausgeht. Da
bei ist zu beachten, daß jeder der Kolben 22 in den Zylinder
bohrungen 20B und 20C auf dem Weg von dem unteren Totpunkt in
Richtung auf den oberen Totpunkt ist, d. h. einen Kompres
sionshub ausführt, während jeder der Kolben 22 in den Zylin
derbohrungen 20E und 20F von seinem oberen Totpunkt in Rich
tung auf seinen unteren Totpunkt bewegt wird und folglich
einen Saughub ausführt. Wenn nun der Kolben 22 in der Zylin
derbohrung 20A gerade seinen oberen Totpunkt erreicht, d. h.
wenn der Kompressionshub gerade beendet ist und wenn folglich
der Kolben in der Zylinderbohrung 20D gerade seinen unteren
Totpunkt erreicht, nämlich wenn für diesen Kolben gerade der
Kompressionshub beginnt, dann steht die Kompressionskammer
32A, wie Fig. 1 zeigt, über den Kanal 90 mit der Kompres
sionskammer 32D in Verbindung. Folglich entweicht die restli
che Menge des komprimierten Kältemittels aus der Kompres
sionskammer 32A in die Kompressionskammer 32D, da der Druck
des restlichen komprimierten Kältemittels höher ist als der
Druck des Kältemittels, welches in die Kompressionskammer 32D
angesaugt werden soll. Wenn die Kompressionskammer 32A dann
in Verbindung mit der bogenförmigen Nut 84 kommt, d. h. wenn
in der Zylinderbohrung 20A der Saughub eingeleitet wird, kann
das Kältemittel unmittelbar aus der Ansaugkammer 26 in die
Kompressionskammer 32A angesaugt werden. Diese Verhältnisse
gelten natürlich der Reihe nach auch für die übrigen Kompres
sionskammern 32B-32F.
Obwohl bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel die restliche
Menge des komprimierten Kältemittels aus derjenigen Kompres
sionskammer (32A), in der der Kompressionshub gerade beendet
ist, in diejenige Kompressionskammer (32D), in der der Kom
pressionshub gerade begonnen wird, entweicht, kann man das
komprimierte Kältemittel auch in eine andere Kompressionskam
mer (32E, 32F) entweichen lassen, für die gerade ein Saughub
durchgeführt wird.
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung
des Zusammenhangs zwischen einem Druck P in einer Kompres
sionskammer und dem zugehörigen Drehwinkel 0 des drehbaren
Ventilelements. In dieser graphischen Darstellung wird davon
ausgegangen, daß der Drehwinkel 0 des drehbaren Ventilele
ments Null ist, wenn der betreffende Kolben sich an seinem
oberen Totpunkt TDC befindet. Wenn beispielsweise der Kolben
22 in der Zylinderbohrung 20A seinen oberen Totpunkt TDC er
reicht, dann wird die Restmenge des komprimierten Kälte
mittels, wie oben ausgeführt, aus der Kompressionskammer
32A abgelassen, so daß der Auslaßdruck Pd in der Kompres
sionskammer 32A, aus der das komprimierte Kältemittel in die
Auslaßkammer 28 ausgestoßen wurde, schnell auf einen Ansaug
druck Ps absinkt, mit dem das Kältemittel aus der Ansaugkam
mer 26 in die Kompressionskammer 32A gesaugt wird, wie dies
in Fig. 4 mit einem ausgezogenen Linienzug gezeigt ist. Es ist
also lediglich ein Zeitintervall T1 erforderlich, bis der
Druck in der Kompressionskammer 32A von Pd auf Ps abgesunken
ist. Wenn dagegen das restliche komprimierte Kältemittel,
welches aus den oben erläuterten Gründen nicht in die Auslaß
kammer ausgestoßen werden konnte, nicht gezielt aus der Kom
pressionskammer abgelassen wird, d. h. wenn konventionell nur
ein Ansaug-Blattfederventil benutzt wird, dann kann der bei
Erreichen des Totpunkts TDC herrschende Druck Pd des
restlichen Kältemittels nicht so schnell auf den Ansaugdruck
Ps abgesenkt werden, wie dies in Fig. 4 mit einer
strichpunktierten Linie angedeutet ist. Vielmehr verstreicht
in diesem Fall ein längeres Zeitintervall To, bis der Druck
in der Kompressionskammer zu Beginn des Ansaughubes auf den
Ansaugdruck Ps abgebaut ist. Das Zeitintervall To ist dabei
natürlich länger als das Zeitintervall T1, da ein Ansaugen
von Kältemittel aus der Ansaugkammer in die Kompressionskam
mer über das Ansaug-Blattfederventil erst dann stattfinden
kann, wenn die restliche Menge des komprimierten Kältemittels
soweit expandiert ist, daß der Ansaugdruck Ps erreicht wird.
Wenn eine Zylinderbohrung eine Querschnittsfläche S aufweist
und wenn ein Kolben einen maximalen Hub Xm ausführen kann,
dann ist das theoretische Ansaugvolumen Vr durch folgende
Gleichung definiert:
Vr = SXm.
Das erfindungsgemäß tatsächlich erreichbare Ansaugvolumen V1
ist durch folgende Gleichung definiert:
V1 = S(Xm-X1),
wobei X1 gleich dem Laufweg des Kolbens in dem Zeitintervall
T1 ist.
Bei einem konventionellen Kompressor ergibt sich in der Pra
xis ein Ansaugvolumen Vo, welches durch folgende Gleichung
definiert ist:
Vo = S(Xm-xo),
wobei xo gleich dem Laufweg des Kolbens während des Zeit
intervalls To ist.
Das Verhältnis Q1 des in der Praxis erreichbaren Ansaugvolu
mens V1 zu dem theoretischen Ansaugvolumen Vr ist durch fol
gende Gleichung definiert:
Q1 = V1/Vr = (Xm-x1)/Xm.
Außerdem ist das Verhältnis Qo des konventionell in der Pra
xis erreichten Ansaugvolumens Vo zu dem theoretisch möglichen
Ansaugvolumen Vr durch folgende Gleichung definiert:
Qo = Vo/Vr = (Xm-xo)/Xm.
Die Kompressionsleistung eines Mehrkolben-Axialkompressors
gemäß der Erfindung kann also um einen Differenzbetrag aus Δ
Q verbessert werden, der wie folgt definiert ist:
ΔQ = Q1-Qo = (xo-x1)/Xm.
Es ist zu beachten, daß dann, wenn das drehbare Ventilelement
um einen Winkel π gedreht wird, wie dies in der graphischen
Darstellung gemäß Fig. 4 gezeigt ist, für das der Kolben 22
in der Zylinderbohrung 20A von seinem oberen Totpunkt TDC zu
seinem unteren Totpunkt BDC bewegt wird, der Druck in der
Kompressionskammer 32A während eines Zeitintervalls T2 etwas
angehoben wird. Dies liegt natürlich daran, daß die Kompres
sionskammer 32A mit dem restlichen komprimierten Kältemittel
aus der Kompressionskammer 32D gespeist wird, in der der Kom
pressionshub gerade beendet wird.
Fig. 5 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 1 bis 3. Dieses modifizierte Ausführungsbeispiel ist
identisch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 mit
der Ausnahme, daß sechs radiale Nuten 88, die den radialen
nutförmigen Kanälen 88A-88F entsprechen, in dem scheiben
förmigen Element 34 der Ventilplattenanordnung 30 ausgebildet
sind (und nicht im Zylinderblock 10).
In Fig. 6 bis 8 ist eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 bis 3 abgewandelte Ausführungsform eines dreh
baren Ventilelements 75′ dargestellt. Bei dem abgewandelten
drehbaren Ventilelement 75′ ist in der Mantelfläche desselben
anstelle des diametral durchgehenden Kanals 90 eine Nut 92 in
Form einer geschlossenen Schleife vorgesehen, welche zwei
parallele bogenförmige Nutbereiche 92a und 92b umfaßt, die
sich in Umfangsrichtung über denselben Winkel erstrecken, und
welches ferner zwei seitliche Nutbereiche 92c und 92d umfaßt,
welche die beiden parallelen bogenförmigen Nutbereiche 92a
und 92b an deren Enden miteinander verbinden. Wie am besten
aus Fig. 8 deutlich wird, liegen die seitlichen Nutbereiche
92c und 92d einander diametral gegenüber, so daß sie
gleichzeitig mit zwei diametral gegenüberliegenden radialen
Nuten bzw. Kanälen 88A; 88D, 88B; 88E, 88C; 88F kommunizieren
können, so daß die einander diametral gegenüberliegenden Kom
pressionskammern 32A; 32D, 32B; 32E, 32C; 32F jeweils paar
weise miteinander in Verbindung stehen, wenn ein Kompres
sionshub beendet ist. Weiterhin ist der Abstand W1 zwischen
einem der seitlichen Nutbereiche 92c und 92d und der betref
fenden, daran angrenzenden bogenförmigen Nut 84 größer als
der Abstand W2 der radialen nutförmigen Kanäle 88A-88F.
Somit können die seitlichen Nutbereiche 92c, 92d nicht über
einen der radialen Kanäle 88A-88F mit der bogenförmigen Nut
84 kommunizieren. Das modifizierte drehbare Ventilelement 75′
kann gegen das drehbare Ventilelement 75 ausgewechselt wer
den. Es ist zu beachten, daß während der Drehung des drehba
ren Ventilelements 75 ein inneres Ende jedes der radialen
Kanäle 88A-88F dichtend in Eingriff mit einem inneren Ober
flächenbereich steht, der durch die als geschlossene Schleife
ausgebildete Nut 92 definiert wird.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen das Kälte
mittel aus der Ansaugkammer 26 über die zwischengeschalteten
drehbaren Ventilelemente 75, 75′ in die Kompressionskammern
32A-32F gelangt, kann die Zuführung des Kältemittels zu den
Kompressionskammern auch über ein Blattfederventil erfolgen,
wie dies in der eingangs erwähnten JP-OS 59-1 45 378 beschrie
ben ist. In diesem Fall besitzt das drehbare Ventilelement
entweder nur den diametral durchgehenden Kanal 90 oder die
Nut 92 in Form einer geschlossenen Schleife, damit der rest
liche Teil des komprimierten Kältemittels am Ende eines Kom
pressionshubes aus der betreffenden Kompressionskammer ent
weichen kann. Während die Erfindung bei den beschriebenen
Ausführungsbeispielen bei einem Taumelscheibenkompressor mit
mehreren axial zu einer Hin- und Herbewegung antreibbaren
Kolben realisiert ist, kann die Erfindung auch bei einem an
deren Mehrkolben-Axialkompressor realisiert werden.
Insgesamt wird aus der vorstehenden Beschreibung deutlich,
daß dem Fachmann, ausgehend von den beschriebenen Ausfüh
rungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen
und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den
Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte.
Claims (6)
1. Mehrkolben-Axialkompressor mit einer Antriebswelle, mit
einem Zylinderblock, in dem rund um die Antriebswelle
Zylinderbohrungen ausgebildet sind, mit Kolben, welche
axial gleitverschieblich von ihren zugeordneten Zylinderbohrungen
aufgenommen werden, und mit Umsetzeinrichtungen
zum Umsetzen einer Drehbewegung der Antriebswelle
in eine Hin- und Herbewegung der Kolben in ihren zugeordneten
Zylinderbohrungen derart, daß die Kolben abwechselnd
einen Saughub und einen Kompressionshub ausführen,
wobei während des Saughubes ein Fluid in die
Zylinderbohrung angesaugt und während des Kompressionshubes
das angesaugte Fluid komprimiert und aus der betreffenden
Zylinderbohrung ausgestoßen wird, wobei am
Ende des Kompressionshubes eine Restmenge des komprimierten
Fluids in der betreffenden Zylinderbohrung verbleibt,
dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbares Ventilelement
(75, 75′) vorgesehen ist, welches drehfest mit der
Antriebswelle (46) verbunden ist und in dem ein
durchgehender Kanal (90, 92) ausgebildet ist, über den
bei sich drehendem Ventilelement eine Verbindung zwischen
Zylinderbohrungen (20A-20F) herstellbar ist, über die
eine Restmenge des komprimierten Fluids aus einer der
Zylinderbohrungen in eine andere Zylinderbohrung
abführbar ist.
2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das drehbare Ventilelement Durchlaßeinrichtungen (82,
84, 86) aufweist, über die den einzelnen Zylinderbohrungen
(20A-20F) während des Saughubs derselben des zu
komprimierende Fluid zuführbar ist.
3. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der durchgehende Kanal als durch den Grundkörper des
Ventilelements (75) hindurchgehender Kanal (90) ausgebildet
ist.
4. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der durchgehende Kanal als nutförmiger Kanal (92) in
einer Mantelfläche des drehbaren Ventilelements (75)
ausgebildet ist.
5. Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der nutförmige Kanal (92) in Form einer geschlossenen
Schleife ausgebildet ist.
6. Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der nutförmige Kanal (92) und die Durchlaßeinrichtungen
(82-86) zu einander diametral gegenüberliegenden Mantelflächenbereichen
des drehbaren Ventilelements (75)
offen sind.
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