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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen hermetischen
Kolbenverdichter der in Kleinkühlgeräten verwendeten
Art und insbesondere auf eine Montageanordnung für den Stift, mit dem die Pleuelstange
im Paar gegenüberliegender
Radiallöcher
angelenkt ist, die in der Mitte des Kolbens ausgebildet sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
den hermetischen Kolbenverdichtern, die mit einem Kolben betrieben
und normalerweise in Kleinkühlsystemen
oder -geräten
verwendet werden, wird die Kompression des Kühlgases durch die Hin- und
Herbewegung des Kolbens in einem Zylinder zwischen den durch den
Antriebsmechanismus bestimmten Bewegungsgrenzen, die als unterer
Totpunkt und oberer Totpunkt bekannt sind, erhalten. Der Zylinder
hat ein offenes Ende und ein gegenüberliegendes, mit einer Ventilplatte
verschlossenes Ende, die eines der Enden einer Kompressionskammer
bildet, wobei das andere Ende durch das obere Ende des Kolbens festgelegt
ist.
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Damit
die Bewegung des Kolbens im Inneren des Zylinders in angemessener
Weise erfolgt, ist es notwendig, einen Radialspalt zwischen dem
Kolben mit kleinerem Durchmesser und dem Zylinder mit größerem Durchmesser
vorzusehen.
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Während des
Betriebs des Verdichters ist der Radialspalt teilweise mit Schmieröl gefüllt, um
den Kolben zu lagern und Verschleiß zwischen den beweglichen
Teilen zu verhindern. Diese Lagerung führt zu einem Verbrauch an mechanischer
Energie, um die durch das Öl
und durch die Bewegung des Kolbens erzeugte Flüssigkeitsreibung zu überwinden.
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Durch
die Verschiebung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt
wird das Kühlgas
in der Kompressionskammer komprimiert, was seinen Druck gegenüber dem
im Inneren des Gehäuses
des Verdichters vorliegenden Druck erhöht und eine Druckdifferenz
bewirkt, die meist zu einer Leckage eines Teils des Kühlgases,
das in der Kompressionskammer komprimiert wird, im Inneren des Gehäuses durch
den Radialspalt führt.
Dieses Phänomen charakterisiert
einen Volumenverlust und vermindert die Kühlleistung des Verdichters,
da die Leckage bewirkt, daß ein
Kompressionsvorgang an einer gewissen Menge des Kühlgases
durchgeführt
wird, die in das Innere des Gehäuses
geleitet wird. Dieser Verlust verringert unmittelbar den energetischen
Wirkungsgrad des Verdichters.
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Die
Lagerung des Kolbens sowie die Leckage des komprimierten Gases hängen in
erster Linie vom Durchmesser und von der Länge des Zylinders und des Kolbens,
von der Hublänge
des Kolbens, der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle, der Geometrie
des Antriebsmechanismus, der Art des verwendeten Kühlgases,
der Art des Schmieröls
und den Betriebsbedingungen des Verdichters (Drücke und Temperaturen) ab.
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Der
Kolben ist mit dem allgemein eine Pleuelstange aufweisenden Antriebsmechanismus über einen
Stift verbunden, dessen einander gegenüberliegende Enden in einem
Paar einander diametral gegenüberliegender,
im Mittelbereich des Kolbens vorgesehener Radialllöcher aufgenommen
und gehalten sind. Die Anordnung des Stiftes in den Radiallöchern des
Kolbens erfolgt so, daß diese
beiden gegenüberliegenden
Bereiche eine Begrenzung für
den Kühlgasstrom
darstellen, der durch den Radialspalt fließt, welcher zwischen dem Zylinder
und einer oberen Kolben-Lagerfläche
vorliegt, die zwischen dem oberen Ende des Kolbens und einer quer
verlaufenden, die Stiftachse enthaltenden Ebene festgelegt ist,
wobei die Begrenzung kleiner als die Begrenzung des Kühlgasstroms
ist, die durch den Radialspalt vorgegeben ist, welcher zwischen
dem Zylinder und der unteren Kolben-Lagerfläche vorliegt, die zwischen dem
unteren Ende des Kolbens und dieser quer verlaufenden Ebene festgelegt
ist.
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Bei
den bekannten Anordnungen neigt das Kühlgas damit zur Leckage durch
den Radialspalt vom oberen Ende des Kolbens zu dessen Innenseite hin,
durch mittlere Radiallöcher
des Kolbens. Somit hat nur die obere Kolben-Lagerfläche auch
die Funktion, die Leckage von Gas durch den Radialspalt, vorwiegend
während
des Kompressionszyklus, zu begrenzen, da die gegenläufige Leckage,
die beim Ansaugzyklus auftreten kann, vernachlässigbar ist, wobei sie im Hinblick
auf den volumetrischen Wirkungsgrad des Verdichters zudem für positiv
erachtet wird. Die untere Kolben-Lagerfläche, die zwischen dem unteren
Ende des Kolbens und dem Stift festgelegt ist und keine Begrenzungsfunktion
für die
Leckage von Kühlgas
hat, führt
zu einem Energieverlust durch Flüssigkeitsreibung.
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Die
Verdichter mit hohem Wirkungsgrad weisen im Mittelbereich des Kolbens
eine Außenumfangsausnehmung
auf, in der die Radiallöcher
zur Montage des Stiftes vorgesehen sind und welche die zuvor erwähnten oberen
und unteren Lagerflächen voneinander
trennt. Dieser Kunstgriff wird angewandt, um die bei der Lagerung
des Kolbens verbrauchte Energie zu verringern, ohne die Leckage von
Kühlgas
durch den Radialspalt zu erhöhen,
da die Axialerstreckung der oberen Kolben-Lagerfläche bei
einem Mindestwert gehalten wird, der erforderlich ist, um eine bestimmte
Begrenzung des Kühlgasstroms
durch den Radialspalt in diesem Bereich sicherzustellen. Die untere
Kolben-Lagerfläche
wird beibehalten, um den Kolben zu führen, wobei Flüssigkeitsreibung
erzeugt wird und keine positive Wirkung vorliegt, die als für die Begrenzung
der Leckage von Kühlgas
relevant angesehen wird.
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Die
US-A-1 591 543 offenbart eine Bauweise eines zweistufigen Verdichters,
bei der auf einer Seite des Kolbens eine Kammer mit niedrigerem
Druck vorhanden ist, während
auf der gegenüberliegenden Seite
des Kolbens eine Kammer mit höherem
Druck und ein Umgebungsdruck vorliegen, wobei der Kolben mit einem
Paar von Radiallöchern
versehen ist, deren jedes ein Ende eines Stiftes aufnimmt und hält, an dem
ein Antriebsmechanismus des Verdichters angekoppelt ist, um den
Kolben im Inneren des Gehäusezylinders
hin und her zu bewegen und damit das Volumen der Kompressionskammer
zu verändern.
Jede der beiden Radialbohrungen läuft an ihrem radialen Ende
in einer aufgeweiteten Ausnehmung aus, die dem Druck einer Hochdruckkammer ausgesetzt
und ferner von einer Kammer mit niedrigerem Druck durch eine obere
Lagerfläche
zwischen dem Kolben und dem Innenumfang des Gehäusezylinders sowie vom Umgebungsdruck
(außerhalb des
Zylinders) durch eine untere Lagerfläche einer Schürze, die
mit einer koaxial zu beiden Druckkammern ausgebildeten Bohrung zusammenwirkt,
getrennt ist. Aufgrund der höheren
Druckdifferenz, die von der unteren Lagerfläche der Schürze aufzunehmen ist, muß deren
Axialerstreckung eine Abmessung aufweisen, die größer als
die axiale Abmessung der oberen Lagerfläche ist, die eine niedrigere
Druckdifferenz zwischen der Hochdruckkammer und der Kammer mit niedrigerem
Druck aufnehmen muß. Aufgrund
der Tatsache, daß die
obere Lagerfläche dieses
bekannten Verdichters kürzer
als die untere Lagerfläche
ist, ergibt sich als Konsequenz der Druckdifferenzen, die sie jeweils
aufzunehmen haben, daß jede
Lagerfläche
unabhängig
von der anderen als Gasdichtungsmittel wirkt. Die beiden Lagerflächen am
Kolben sind durch die Hochdruckkammer voneinander getrennt und darüber hinaus
auch bei unterschiedlichen Durchmessern angeordnet. Die obere Lagerfläche und
die untere Lagerfläche
des Kolbens weisen jeweils mindestens ein Paar von Dichtungsringen
auf, die keinerlei Radialspalt mit dem Zylinder festlegen. Diese
Dichtungsringe arbeiten direkt gegen die Zylinderwand. Die Dichtungsfunktion
wird durch die Dichtringe und nicht durch die Axialerstreckung des
zwischen den Lagerflächen
des Kolbens und der Zylinderwand festgelegten Radialspaltes erhalten.
In der Praxis ist es relativ unmöglich,
die Durchmesser des Stiftes und jedes Aufnahmelochs so exakt hergestellt
zu bekommen, daß sie so
eng miteinander zusammenwirken, daß jegliche Leckage von Druckfluid
zwischen den Kontaktflächen
verhindert wird, wenn ein solcher Verdichter zum Verdichten eines
gasförmigen
Fluids verwendet wird. Dies gilt umso mehr in Anbetracht der Tatsache, daß der Stift
mit Mitteln arretiert ist, die eine Verdrehung relativ zum Kolben
verhindern sollen. Dies führt dazu,
daß eine
Drehung des Stiftes innerhalb der Aufnahmebohrungen offensichtlich
auftreten könnte, wenn
die Anetiermittel nicht vorhanden wären, woraus sich schließen läßt, daß der Sitz
zwischen dem Stift und den Bohrungen nicht so eng ist, daß jedwede
Leckage von Druckfluid zwischen den Kontaktflächen verhindert werden könnte. Somit
könnte
unter Druck stehendes Gas, das in die Ausnehmung eintreten könnte, zum
Umgebungsdruck außerhalb
des Zylinders entweichen. Da das Gas, das dort fließt, Gas aus
der Hochdruckkammer ist, könnte
ein Entweichen dieses Gases auch durch einen kleinen Zwischenraum
hindurch erfolgen.
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Die
US-A-4 574 591 beschreibt eine Anordnung mit einem Zylinder und
einem darin hin- und herlaufenden Kolben, wobei der Kolben mit einer
in Umfangsrichtung verlaufenden Ausnehmung versehen ist, in die
sich Stiftaufnahmelöcher öffnen. Die beschriebene
Anordnung ist relativ kompliziert und umfaßt eine innerhalb eines Zylinders
angeordnete Hülse
und einen in der Hülse
hin- und herlaufenden Kolben. Es gibt keine Lagerfläche zwischen
dem Kolben und dem Zylinder, sondern nur zwischen dem Kolben und
der Hülse,
und zudem sind zwischen der Hülse
und dem Zylinder Dichtungsringe vorhanden. Bei dieser bekannten
Anordnung liegt ein Heliumstrom zwischen dem Endabschnitt des Stiftes
und den Aufnahmelöchern
des Kolbens vor, und unter Druck stehendes Heliumgas kann vom Zwischenraum
zwischen dem Kolben und der Hülse
am Stift vorbeiströmen,
in den Spalt zwischen einer Pleuelstange und dem Kolben eintreten
und auf diesem Wege aus der Kompressionskammer entweichen.
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Ziel der Erfindung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, einen hermetischen Kolbenverdichter
der hier in Betracht gezogenen Art bereitzustellen, der insgesamt
eine kleinere Lagerfläche
aufweist, um die Verlustleistung im Kolben zu verringern, ohne eine
Verringerung der Fähigkeit
zur Begrenzung der Leckage von Kühlgas durch
den zwischen dem Kolben und dem Zylinder festgelegten Spalt zu verursachen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das
obige Ziel wird erreicht durch Bereitstellen eines hermetischen
Kolbenverdichters der Art mit einem Zylinder mit einem offenen Ende,
dessen gegenüberliegendes
Ende mit einer Ventilplatte verschlossen ist und in dem ein Kolben
angebracht ist, der mit dem geschlossenen Ende des Zylinders eine Kompressionskammer
festlegt, wobei der Kolben mit einem Paar von Radiallöchern versehen
ist, deren jedes ein Ende eines Stiftes aufnimmt und hält, mit dem
ein Antriebsmechanismus des Verdichters zum Hin- und Herbewegen
des Kolbens im Inneren des Zylinders gekoppelt ist, der das Volumen
der Kompressionskammer verändert,
wobei der Kolben eine Lagerfläche
aufweist, die einen Radialspalt mit dem Zylinder aufrechterhält, und
es wird eine vollständige Abdichtung
der Fuge zwischen den Enden des Stiftes und den Radiallöchern bereitgestellt,
wobei der Kolben ferner mit einer Außenumfangsausnehmung versehen
ist, zu der hin sich beide Radiallöcher öffnen und die so vorgesehen
ist, daß sie
zwei Lagerflächen am
Kolben voneinander trennt, deren jede auf einer Seite einer quer
verlaufenden Ebene, welche die Achse des Stiftes enthält, angeordnet
ist, wobei beide Lagerflächen
zusammen eine Begrenzung für
die Gasleckage durch den Radialspalt festlegen.
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Das
hier vorgeschlagene bauliche Konzept stellt die vollständige Abdichtung
der Fuge zwischen dem Stift und dem Kolben, d.h. die vollständige Abdichtung
der beiden Radiallöcher
des Kolbens, bereit, um die Leckage von Kühlgas durch die Radiallöcher zu
beseitigen und zu ermöglichen,
daß der
Radialspalt zwischen der unteren Kolben-Lagerfläche und dem Zylinder auch als
Mittel zum Begrenzen der Leckage von Kühlgas durch den Spalt wirkt.
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Die
vorgeschlagene technische Lösung
gestattet die Verwendung einer kleineren Axialerstreckung der oberen
Lagerfläche,
was die Gesamtlänge des
Kolbens verringern kann. Durch die Verringerung der Gesamterstreckung
der Kolbenlagerfläche
in axialer Richtung verringert sich der Bereich der viskosen Reibung
und folglich der Energieverlust am Kolben.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Schnittdarstellung einer Zylinder-Kolben-Anordnung für einen
hermetischen Kolbenverdichter, wie sie bei der vorliegenden Erfindung
verwendet wird; die 2 und 3 eine vergrößerte Seitenansicht
eines Kolbens eines hermetischen Kolbenverdichters aus dem Stand
der Technik bzw. einen Kolben eines hermetischen Kolbenverdichters
entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Seitenansicht des Kolbens aus 3, der jedoch
in einem geschnittenen und teilweise gezeigten Zylinder montiert
ist,
und
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die 5, 6, 7, 8, 8a und 9 schematisch
und in einer diametralen Schnittdarstellung den Kolben mit unterschiedlichen
baulichen Lösungen
zum Abdichten der Radiallöcher
des Kolbens nahe den jeweiligen Enden des Stiftes.
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Beschreibung
der dargestellten Ausführungsformen
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Wie
in 1 gezeigt, findet die vorliegende Montageanordnung
Anwendung beim Kolben eines hermetischen Kolbenverdichters der Art
mit einem Zylinder 1 mit einem offenen Ende, dessen gegenüberliegendes
Ende allgemein mit einer Ventilplatte 2 verschlossen ist,
wobei in dem Zylinder ein Kolben 10 angebracht ist, der
mit dem geschlossenen Ende des Zylinders 1 eine Kompressionskammer
C festlegt.
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Der
Kolben 10 ist in seinem mittleren Bereich mit einem Paar
von Radiallöchern 11 versehen,
die einander diametral gegenüberliegen
und deren jedes ein Ende eines Stiftes 20 aufnimmt und
hält, mit
dem ein Antriebsmechanismus des Verdichters zum Hin- und Herbewegen
des Kolbens 10 im Inneren des Zylinders 1 gekoppelt
ist, der das Volumen der Kompressionskammer C verändert. Bei
der dargestellten Bauweise ist der Antriebsmechanismus durch eine Pleuelstange 3 mit
einer kleineren Öse,
die um den Stift 20 herum montiert ist, und mit einer größeren Öse, die
auf dem Exzenter der Welle 4 des Verdichters montiert ist,
festgelegt.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, umfaßt der Kolben 10,
der zur Aufnahme der Montageanordnung nach dem Stand der Technik
gebaut ist, eine obere Kolben-Lagerfläche 10a, die zwischen
dem oberen Ende 12 des Kolbens 10 und einer die
Achse des Stiftes 20 enthaltenden, quer verlaufenden Ebene vorgesehen
ist, und eine untere Kolben-Lagerfläche 10b, die zwischen
der quer verlaufenden Ebene und dem unteren Ende 13 des
Kolbens 10 angeordnet ist.
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Bei
dem in den 2 bis 4 gezeigten Konstruktionsbeispiel
ist der Kolben 10 ferner mittig mit einer Außenumfangsausnehmung 14 versehen, welche
die zwei Lagerflächen
am Kolben voneinander trennt und zu der hin sich beide Radiallöcher 11 öffnen.
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Nach
dem Stand der Technik weist die untere Kolben-Lagerfläche 10b eine
Axialerstreckung auf, die ausschließlich durch die Lagerungsanforderungen
des Kolbens 10 bei seiner Hin- und Herbewegung festgelegt
ist, da der zwischen dieser unteren Kolben-Lagerfläche 10b und
dem Zylinder 1 festgelegte Radialspalt 15 nicht
als Einschränkungs-
oder Begrenzungsmittel für
die Leckage von Kühlgas
zur Außenseite
und zur Innenseite der Kompressionskammer C wirkt. Das Kühlgas leckt
zwischen der Innenseite und der Außenseite der Kompressionskammer
C durch die zwischen den Enden des Stiftes 20 und den entsprechenden
Radiallöchern 11 des
Kolbens 10 vorhandenen Spalte. Somit wirkt nur der zwischen
dem Zylinder 1 und der oberen Kolben-Lagerfläche 10a festgelegte
Radialspalt 15 als Begrenzungsmittel für die Leckage von Kühlgas, wozu
die Axialerstreckung der oberen Kolben-Lagerfläche 10a ausreichend
groß sein
sollte, um eine geeignete Abdichtung der Kompressionskammer C sicherzustellen.
Somit erfolgt die Lagerung des Kolbens 10 über die
Gesamterstreckung der Lagerfläche,
die nur teilweise als Begrenzungsmittel für die Leckage von Kühlgas verwendet
wird, aber insgesamt als Mittel zur Erzeugung von Flüssigkeitsreibung
dient.
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Die 3 bis 4 zeigen
einen Kolben 10, der abhängig von der Anwendung der
hier vorgeschlagenen Montageanordnung gebaut ist. In diesem Fall
erfolgt die Montage der Enden des Kolbens 20 an den entsprechenden
Radiallöchern 11 des
Kolbens 10 so, daß die
Radiallöcher 11 vollständig abgedichtet
sind. Daher wird das Kühlgas,
damit es relativ zur Kompressionskammer C lecken kann, über die gesamte
Länge des
Kolbens 10 durch den Radialspalt 15 gedrückt, d.h.
der Radialspalt 15 zwischen der unteren Kolben-Lagerfläche 10b und
dem Zylinder 1 wirkt nun auch als Begrenzungsmittel für die Leckage
von Kühlgas.
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Mit
der neuen Bauweise wird die Begrenzung der Leckage nun mittels der
den beiden Lagerflächen 10a und 10b zugeordneten
Radialspalte 15 erhalten, deren Gesamterstreckung verringert
werden kann, um die Flüssigkeitsreibung
zu vermindern und eine bessere Abdichtung der Kompressionskammer
C sicherzustellen.
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Wenn
der Kolben 10 die Außenumfangsausnehmung 14 aufweist,
kann deren Axialerstreckung zum oberen Ende 12 des Kolbens 10 hin
vergrößert werden,
wobei die Axialerstreckung der oberen Kolben-Lagerfläche 10a vermindert
wird, wie aus einem Vergleich der 2 und 3 ersichtlich
ist.
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Wenn
die Außenumfangsausnehmung 14 fehlt
und eine gestalterische Abwandlung möglich ist, gestattet die vorliegende
Montageanordnung eine Verkürzung
der Länge
des Kolbens 10 oder eine Vergrößerung des Spaltes 15.
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Das
Abdichten der Radiallöcher 11 ist
durch jegliche geeignete Mittel erhältlich, wie sie z. B. nachfolgend
beschrieben sind.
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In 5 ist
eine Bauweise gezeigt, bei der das Abdichten beider Radiallöcher 11 des
Kolbens 10 durch Montageeingriff zwischen jedem Ende des
Stiftes 20 und dem entsprechenden Radialloch 11,
in dem er aufgenommen ist, erhalten wird.
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6 zeigt
eine Bauweise, bei der die Abdichtung eines der Radiallöcher 11 des
Kolbens 10 durch Montageeingriff mit dem jeweiligen Ende
des Stiftes 20 erfolgt, wobei die Abdichtung des anderen Radiallochs 11 durch
ein Dichtelement 30 erhalten wird, das im Beispiel der 6 durch
ein zwischen dem Radialloch 11 und dem entsprechenden Ende des
Stiftes 20 aufgebrachtes Klebemittel festgelegt ist.
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7 zeigt
eine bauliche Variante der Anordnung aus 6, bei der
das Dichtelement 40 in Form eines elastomeren Dichtungsringes
vorliegt, der zwischen dem Ende des Stiftes 20 und dem
jeweiligen Radialloch 11, in dem er aufgenommen ist, unter
Druck montiert ist.
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In 8 ist
noch eine bauliche Variante der 6 dargestellt,
bei der das Dichtelement 50 durch eine Klemme festgelegt
ist, die in axialer Richtung in einem axialen Endloch des Stiftes 20 sitzt
und einen Endflansch 51 aufweist, der in Umfangsrichtung
dichtend in dem entsprechenden Radialloch 11 sitzt, wie dies
in 8a besser dargestellt ist. Der äußere Rand
des Endflansches 51 kann so gestaltet sein, daß er ein
Dichtmittel festlegt, welches an der Wand des Radiallochs 11 anliegt.
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9 zeigt
eine weitere bauliche Variante der Anordnung aus 6,
bei der das Dichtelement 60 durch eine Abdeckung festgelegt
ist, die im Radialloch 11 sitzt und darin gehalten ist,
um gegenüber dem
benachbarten Ende des Stiftes 20 nach außen hin
abgedichtet zu werden.
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Es
versteht sich, daß die
Dichtelemente 30, 40, 50 und 60 in
beiden Radiallöchern 11 vorgesehen werden
können,
wenn der Stift 20 gleitend und locker in beiden Radiallöchern 11 sitzt.
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Wenn
dieser Stift 20 ohne Montageeingriff montiert ist, kann
man einen elastischen Ring verwenden, der gegen die Wand beider
Radiallöcher 11 wirkt,
um eine axiale Halterung des Stiftes 20 im Kolben 10 zu
bewirken.
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Die
hier beschriebenen baulichen Möglichkeiten
sind lediglich beispielhalber angegeben. Die axiale Halterung des
Stiftes 20 und die Abdichtung der Radiallöcher 11 können auch
auf andere Weisen erhalten werden, ohne daß dadurch vom durch die beigefügten Ansprüche definierten
Schutzbereich abgewichen wird.