DE4327948C2 - Führungsmechanismus für einen sich hin und her bewegenden Kolben eines Kolbenkompressors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenkom­ pressor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Einsatzmöglichkeiten für Taumelscheibenkompressoren sind sehr groß, dazu zählt auch der Einsatz in einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug und/oder in einem Kühlsystem. Von diesen Kompressoren ist ein einseitig wirkender Kolbenkompressor sehr bekannt, in dem Fluid mittels eines sich hin und her bewegenden Kolbens, der mit einer Taumelscheibe verbunden ist, komprimiert wird. Ein bekannter einseitig wirkender Kolbenkompressor ist in der US Pat. Nr. 4 664 604 offengelegt.

Wie in Fig. 6 dargestellt, ist ein Zylinderblock 41 in einem zylindrischen Gehäuse 40 eines Kompressors untergebracht. Kolben 42 sind in Zylinderbohrungen 41a untergebracht und je­ weils darin hin und her beweglich. Eine Antriebswelle 44 ist drehbar in dem zentralen Abschnitt des Zylinderblocks 41 und in der Vorderabdeckung 43 gelagert. Die Antriebswelle wird von einem Motor angetrieben. Eine Antriebsplatte 45 ist auf der Antriebswelle 44 montiert und dreht sich synchron mit der Antriebswelle 44. Weiterhin ist eine Taumelscheibe 47 neigbar auf der Antriebswelle 44 montiert, und sie ist mittels einer kugelförmigen Hülse 46 entlang der Achsrichtung der Welle 44 hin und her bewegbar. Die Antriebsplatte 45 und die Taumel­ scheibe 47 sind über einen Gelenkmechanismus verbunden. Der Umfang der Taumelscheibe 47 steht mit dem nächst gelegenen Abschnitt des zugeordneten Kolbens 42 in Eingriff.

Gemäß dem oben beschriebenen Kompressor wird bei sich drehender Welle 44 die Antriebsplatte 45 zusammen mit der Welle gedreht. Die Drehbewegung der Platte 45 wird über den Gelenkmechanismus 48 auf die Taumelscheibe 47 übertragen. Die Scheibe 47 wird gedreht, wobei ihre Ebene geneigt gegenüber der Welle ist, so daß sich die Kolben 42 in den jeweiligen Zylinderbohrungen 41a hin und her bewegen. Daher wird in die Einlaßkammern 52 eingesaugtes Kühlmittelgas komprimiert und in die jeweils zugeordnete Auslaßkammer 53 gefördert.

Um eine Steuerung der Verdrängung bzw. des Hubraums des Kom­ pressors zu erreichen, kann der Kolbenhub verändert werden. Der Kolbenhub verändert sich abhängig vom Unterschied zwischen den Drücken, die auf die eine bzw. die andere Seite der Taumel­ scheibe 47 einwirken. Der Unterschied wird durch Abgleichen der Drücke erzeugt, die zwischen dem Druck in der Kurbelkammer 50 herrschen, der auf die hintere Fläche des Kolbens 42 einwirkt und dem Unterdruck in der Zylinderbohrung 41a vorherrscht, welcher auf die vordere Fläche des Kolbens 42 einwirkt und damit über den Kolben 42 auf die Taumelscheibe 47 einwirkt.

Gemäß des herkömmlichen Kompressors hat jeder der Kolben 42 eine zylindrische Form. Weiterhin sind am nahegelegenen Ab­ schnitt des Kolbens 42 jeweils Verbindungsabschnitte 51 aus­ gebildet, um in Schuhe 49 einzugreifen. Der Durchmesser oder der Radius der Krümmung des Verbindungsabschnitts 51 ist im wesentlichen gleich der des Kolbens 42. Daher gibt es nahezu keinen Spalt zwischen der Umfangsfläche des Verbindungsab­ schnitts 51 und der Innenwand des Gehäuses 40. Auch wenn die Kolben 42 sich hin und her bewegen, ist es schwierig, Schmieröl enthaltendes in der Kurbelkammer 50 befindliches Kühlmittelgas aus der Umgebung des Verbindungsabschnitts 51 in den mit dem Kolben korrespondierenden Gleitabschnitt der Zylinderbohrung zu führen. Das Fehlen einer Schmierung an den Gleitabschnitten führt zu einem schnellen Verschleiß, so daß die Haltbarkeit verringert ist.

Aus der US 4 522 112 (E1) ist ein Kolbenkompressor bekannt, bei dem der Kolben einen mittig ausgebildeten Ölübertragungsab­ schnitt aufweist, der ständig über eine Bohrung mit der Kurbel­ kammer verbunden ist. Diese Verbindung besteht unabhängig von der Bewegung bzw. der Position des Kolbens in der zugeordneten Zylinderbohrung.

Aus der JP 3-242475 ist ein Kolbenkompressor bekannt, der einen Kolben mit einem am Umfang ausgebildeten Vorsprung aufweist, der in eine am Innenumfang des Gehäuses ausgebildeten Nut hineinragt. Der Eingriff zwischen Vorsprung und Gehäuse dient zur besseren Führung des Kolbens. Ölübertragungseinrichtungen zur Verbesserung der Schmierwirkung sind nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenkom­ pressor zur Verfügung zu stellen, bei dem eine ausreichende Versorgung der Gleitflächen mit Schmiermittel auch bei hohen Drehzahlen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird erreicht, daß es zu einer Verdichtung des Kühlmittels in dem mit der Aussparung verbundenen Abschnitt kommt, wenn der Kolben vom unteren Tot­ punkt zum oberen Totpunkt bewegt wird, wobei durch diese Ver­ dichtung gewährleistet wird, daß das Kühlmittel und mit diesem auch das Schmiermittel besser zwischen Kolben und Zylinderwand gedrückt wird. Auf diese Weise wird die Schmierung des Kolbens, insbesondere bei schnell laufendem Kolben, deutlich verbessert.

Folgend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 bis 5 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dar­ stellen, wobei:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines Taumelscheiben­ kompressors mit veränderbarer Verdrängung gemäß eines Aus­ führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens des Kom­ pressors gemäß Fig. 1 ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Gelenkmechanismus des Kom­ pressors gemäß Fig. 1 ist;

Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht des Gelenkmechanismus gemäß Fig. 3 ist;

Fig. 5 eine Schnittansicht ist, die den zusammengebauten Aufbau des Kolbens gemäß des Kompressors nach Fig. 1 zeigt; und

Fig. 6 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Kompressors ist.

Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschrie­ ben.

Gemäß Fig. 1 ist ein vorderes Gehäuse 2 des Kompressors mit der vorderen Endseite (d. h. linke Seite gemäß Fig. 1) des Zentral­ gehäuses 1 verbunden. Ein hinteres Gehäuse 3 ist mit der hin­ teren Endseite (d. h. rechte Seite gemäß Fig. 1) des hinteren Gehäuses 1 mit einer dazwischen angeordneten Ventilplatte 4 verbunden. Ein Zylinderblock 1b ist im Zentralgehäuse 1 aufge­ nommen. Eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 1a sind gleich­ winklig im Zylinderblock 1b ausgebildet. Eine Kurbelkammer 5 ist durch den Zylinderblock 1b im Zentralgehäuse 1 ausgebildet.

Eine Antriebswelle 6 ist mittels Radiallager 7, die im vorderen Gehäuse 2 bzw. im Zylinderblock 1b angeordnet sind, in der Kur­ belkammer 5 drehbar gelagert. Eine Vielzahl hin und her beweg­ licher Kolben 9 wird in den jeweiligen Zylinderbohrungen 1a aufgenommen. Eine Antriebsplatte 10 ist auf der Antriebswelle 6 montiert. Eine kugelförmige Hülse 11 ist auf der Welle 6 montiert, und sie ist horizontal (d. h. in Vorwärts-Rückwärts­ richtung) gleitend beweglich. Die Hülse 11 wird in Richtung der Welle 6 gegen den Zylinderblock 1b mittels einer Spiralfeder 12 gedrückt. Ein drehbarer Achszapfen 13 ist auf der kugelförmigen Fläche der Hülse 11 drehbar befestigt. Der Achszapfen 13 ist über einen Gelenkmechanismus K mit der Antriebsplatte 10 ver­ bunden und ist entlang der Welle 6 in Vorwärts-Rückwärtsbewe­ gung neigbar.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, ist der Gelenkmechanismus K aus einem Paar Lagerarme 14, Verbindungsstifte 15 und Lagerabschnitte 16 des drehbaren Achszapfens 13 aufgebaut. Die Arme 14 sind an der Antriebsplatte 10 an einer äußeren Umfangs­ seite angeordnet und sie stehen in rückwärtiger Richtung her­ vor. Jeder der Stifte 15 hat einen Kugelabschnitt 15a, der drehbar mit dem zugeordneten Arm 14 in Eingriff ist. Weiterhin haben die Lagerabschnitte 16 Führungslöcher 16a, in denen jeweils Stababschnitte 15b der Stifte 15 hin und her bewegbar sind.

Gemäß Fig. 1 ist die Taumelscheibe 17 an einem Umfangsabschnitt des Achszapfens 13 befestigt. Der Umfangsabschnitt der Taumel­ scheibe 17 wird über ein Paar Schuhe 19 in Aussparungen 18 aufgenommen, die jeweils in den nächst gelegenen Abschnitten der Kolben 9 ausgebildet sind.

Die Schuhe 19 können entlang des Umfangsabschnitts der Taumel­ scheibe 17 gleiten. Auf diese Art werden die Kolben am Umfangs­ abschnitt der Taumelscheibe 17 gehalten. Da sich die Antriebs­ platte 10 synchron mit der Antriebswelle 6 dreht, werden der Achszapfen 13 und die Taumelscheibe 17 mittels des Gelenk­ mechanismus K zusammen mit der Antriebsplatte 10 gedreht. Die Taumelscheibe 17 wird gedreht, wobei ihre Fläche bezüglich der Welle 6 geneigt ist und die Taumelscheibe 17 gleitet mittels einem Paar Schuhe in den Aussparungen, so daß sich die Kolben 9 in den Zylinderbohrungen in Übereinstimmung mit dem Neigungs­ winkel der Taumelscheibe 17 hin und her bewegen.

Mittels einer Trennwand im hinteren Gehäuse werden eine Saug­ kammer 21 und eine Auslaßkammer 22 abgegrenzt. Ein Saugventil­ mechanismus 23 und ein Auslaßventilmechanismus 24 sind in der Ventilplatte 4 vorgesehen. Wenn sich die Kolben 9 hin und her bewegen, wird jeweils Kühlmittelgas aus der Saugkammer 21 durch den Saugventilmechanismus 23 in die Bohrungen 1a eingesaugt. Nach dem Komprimieren des Gases in den Bohrungen 1a wird das Gas durch den Auslaßventilmechanismus 24 in die Auslaßkammer 22 gefördert. Ein Steuerungsventilmechanismus 25, 26 ist im hinteren Gehäuse 3 vorgesehen. Der Steuerungsventilmechanismus 25 öffnet oder schließt eine Zufuhrleitung (nicht dargestellt), die die Auslaßkammer 22 mit der Kurbelkammer 5 verbindet. Der Unterschied zwischen dem Druck in der Kurbelkammer 5 und dem Druck in der Saugkammer 21 wird durch eine Öffnungs- oder Schließbetätigung des Steuerungsventilmechanismus 25, 26 ein­ gestellt. Dementsprechend wird der Hub des Kolbens 9 verändert. Die Verdrängung des Kompressors wird durch Regulieren des Nei­ gungswinkels der Taumelscheibe 17 gesteuert.

Gemäß Fig. 1 ist ein vergrößerter Abschnitt 29 zwischen der Nachbarschaft der vorderen Kante einer jeden Zylinderbohrung 1a und dem vorderen Endabschnitt des Zentralgehäuses 1 ausge­ bildet, wobei er sich nach außen aus dem Zentralgehäuse 1 in Übereinstimmung mit der Gleitbewegung des nächst gelegenen Endes des Kolbens erstreckt. Eine Kolbenführungsfläche 29a ist auf der Innenumfangsfläche des vergrößerten Abschnitts 29 aus­ gebildet. Ein Vorsprung 30 ist einstückig am nächst gelegenen Abschnitt des Kolbens 9 ausgebildet, welcher in radialer Rich­ tung hervorsteht und sich entlang der Vorwärts-Rückwärtsrich­ tung erstreckt. Die Führungsfläche 29a führt den Vorsprung 30.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird eine Aussparung 31 am Umfang des Kolbens 9 ausgebildet, in dem ein Abschnitt des Kolbens 9 ent­ fernt wird, der auf der Seite des vergrößerten Abschnitts 29 angeordnet ist (d. h. auf der Außenseite des Kompressors). Ein hohler Abschnitt 32 ist im zentralen Abschnitt des Kolbens 9 ausgebildet, welcher mit der Aussparung 31 in Verbindung ist. Der hohle Abschnitt 32 ist über die Aussparung 31 mit der Kurbelkammer 5 verbindbar. Eine vordere innere Fläche des hohlen Abschnitts 32 bildet eine geneigte Fläche aus, in dem sie näher zum Kolbenboden hin, als zur Antriebswelle 6 hin angeordnet ist. Da die Öffnung des ausgesparten Abschnitts 31 durch die geneigte Fläche 32a vergrößert wird, kann eine große Menge an Gas aus der Kurbelkammer 5 in den hohlen Abschnitt 32 zugeführt werden. Eine Schmiernut 33 erstreckt sich um die Umfangsfläche des Kolbens 9 herum, die mit der inneren Endseite der Aussparung 31 an seiner hinteren Seite übereinstimmt. Die Nut 33 beginnt an der Kante der Aussparung 31 und ist innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs ausgebildet. Schmieröl, das sich im Kühlmittelgas befindet, wird in die Nut 33 eingeführt und dient als Schmierung zwischen dem äußeren Umfang des Kol­ bens 9 und des inneren Umfangs der Zylinderbohrung 1a.

Gemäß des mit dem oben beschriebenen Aufbau versehenen Kom­ pressors mit veränderbarer Verdrängung wird nun nachfolgend die Funktionsweise beschrieben.

Gemäß Fig. 1 wird, wenn die Antriebswelle 6 durch den Motor angetrieben wird, die Antriebsplatte 10 zusammen mit der An­ triebswelle 6 gedreht. Die Drehbewegung wird über den Gelenk­ mechanismus K, welcher Lagerarme 14, Verbindungsstifte 15 und Lagerabschnitte 16 hat, auf den drehbaren Achszapfen 13 und die Taumelscheibe 17 übertragen. Die Taumelscheibe 17 wird gedreht, wobei ihre Ebene bezüglich der Welle 6 geneigt ist, so daß sich die Kolben 9 in den Zylinderbohrungen 1a hin und her bewegen. Da die Kolben 9 in Übereinstimmung mit der Drehbewegung hin und her bewegt werden, wird Kühlmittelgas, welches aus der Saug­ kammer 21 in die Zylinderbohrung 1a gesaugt wurde, komprimiert und dann in die Auslaßkammer 22 gefördert. Wenn sich der Kolben 9 hin und her bewegt, bewegt sich der Vorsprung 30 ebenfalls entlang der Führungsfläche 29a hin und her.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Raum P zwischen der hinteren Umfangsfläche 30a des Vorsprungs 30 und einer hinteren Begren­ zung 29b der Führungsfläche 29a ausgebildet, der am größten ist, wenn sich der Kolben an seinem unteren Totpunkt befindet. Da die Aussparung 31 und der hohle Abschnitt 32 so ausgebildet sind, daß sie die Kurbelkammer 5 mit dem Raum P verbinden, wird unter diesen Umständen im Kühlmittelgas enthaltenes Schmieröl, das in der Kurbelkammer 5 ist, über die Aussparung 31 in den hohlen Abschnitt 32 zugeführt, und es wird ebenso in den Raum P zugeführt. Wenn sich der Kolben 9 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt während eines Kompressionshubes bewegt, ver­ kleinert sich das Volumen des Raumes P. Daher wird das verne­ belte, im Kühlmittelgas befindliche Öl dem Spalt zwischen dem Umfang des Kolbens 9 und der Innenfläche der Zylinderbohrung 1a zugeführt, wobei die Kolben 9 leicht in den Bohrungen 1a gleiten.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Nut 33 auf der Umfangsfläche des Kolbens 9 ausgebildet, welche mit dem hohlen Abschnitt 32 in Verbindung ist. Über die Nut 33 wird im Kühlmittelgas be­ findliches Öl in den Spalt zwischen dem Umfang des Kolbens 9 und der Innenfläche der Zylinderbohrung 1a geführt. Daher gleitet der Kolben 9 wesentlich leichter als früher.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird für den Fall des Kompressortyps mit einseitig wirkendem Kolben ein Biegemoment M während des Kom­ pressionshubes in Bezug auf die Druckkraft der Taumelscheibe 17 aufgebaut. Durch dieses Biegemoment M kann der Spalt vergrößert werden, der zwischen dem Umfang des Kolbens 9 und einem auf der Wellenseite befindlichen Abschnitt der zugeordneten Bohrung 1a ausgebildet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch die Nut 33 nicht auf der Umfangsfläche des Kolbens 9 ausge­ bildet, die in Richtung Welle 6 zeigt, sondern sie ist auf der Seite des Gehäuses 1 innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs angeordnet. Aufgrund dessen ist, auch wenn sich ein großer oben beschriebener Spalt ausbildet, der hohle Abschnitt 32 niemals über die Nut 33 während eines Kompressionshubes in Verbindung mit der Zylinderbohrung 1a. Infolgedessen wird in der Bohrung 1a komprimiertes Gas davon abgehalten, über den Spalt in die Kurbelkammer 5 zurück zu fließen.

Obwohl nur ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, sollte es für den Fachmann offen­ sichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung in vielen anderen spezifischen Formen enthalten sein kann. Es ist verständlich, daß im einzelnen folgende Modifikationen angewendet werden sollen.

Zum Beispiel kann, wie durch die doppelt gestrichelten Linien in den Fig. 1 und 5 gezeigt ist, eine Leitung 34 im Kolben 9 ausgebildet sein, die den hohlen Abschnitt 32 mit der Kurbel­ kammer 5 verbindet, wobei der hohle Abschnitt 32 und der Umfang des Kolbens 9 geöffnet wird. Da das vernebelte Öl vollständig über die Leitung 34 an den Abschnitt des Kolbens 9 geführt werden kann, der stark gegen die Innenfläche der Bohrung 1a aufgrund des Biegemoments M gedrückt wird, kann die bevorzugte Gleiteigenschaft des Kolbens 9 aufrecht erhalten werden.

Claims (7)

1. Kolbenkompressor mit einem Gehäuse (1), in dem eine Kur­ belkammer (5) und ein Zylinderblock (1b) angeordnet ist, der ei­ ne Bohrung (1a) aufweist, in der ein sich zwischen zwei Totpunk­ ten bewegender Kolben (9) läuft, der an der Umfangsfläche mit einer Aussparung (31) und einem hohlen Abschnitt (32) versehen ist, die eine Verbindung mit der Kurbelkammer (5) aufweisen, um Schmiermittel enthaltendes Kühlmittelgas von der Kurbelkammer in die Aussparung (31) zur Schmierung der Umfangsfläche des Kolbens (9) einzubringen, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Kolben (9) an die Aussparung (31) ein Vorsprung (30) anschließt, der in ei­ ner Führung des Gehäuses (1) läuft, die mit der Aussparung (31) verbunden ist und eine Begrenzung (29b) aufweist, gegen die sich der Vorsprung (30) bei Bewegung des Kolbens (9) vom unteren Tot­ punkt zum oberen Totpunkt bewegt, wobei die Verbindung ver­ schließbar ist, so daß das in der Aussparung (31) aufgenommene Kühlmittelgas verdichtet wird.

2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (30) an der Umfangsfläche des Kolbens (9) mit Erstreckung in radialer Richtung ausgebildet ist, und daß an ei­ ner Innenfläche eines Zentralgehäuses (1) eine Gleitfläche (29a) ausgebildet ist, an der der Vorsprung (30) entlang gleitet.

3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (9) auf der Umfangsfläche eine Ölleitung (33) aufweist, die sich kreisförmig über einen bestimmten Winkelbe­ reich erstreckt, wobei die Ölleitung mit der Aussparung (31) verbunden ist.

4. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (9) eine Leitung (34) hat, die mit der Aussparung (31) verbunden ist und sich zur Umfangsfläche des Kolbens (9) hin öffnet.

5. Kolbenkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich diese Leitung (34) an einer der Aussparung (31) gegen­ überliegenden Stelle zur Umfangsfläche des Kolbens (9) hin öff­ net.

6. Kolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Vorsprung (30) ein Drehen des Kolbens (9) um seine Achse verhindert wird, wenn der Vorsprung (30) entlang der Füh­ rungsfläche (29a) gleitet.

7. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (9) ein einseitig wirkender Kolben ist und daß der Kolben (9) an seinem Bodenabschnitt Ansaugen, Komprimieren und Herausfördern von Kühlmittelgas ausführt.