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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Kühlkompressoren.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen sich
hin- und herbewegenden Kolbenkühlkompressor,
der eine Kapazitätssteuerung
durch Ausnutzung eines blockierten Einlasses enthält.
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Kühl- und
Klimaanlagen werden aufgrund der sich ändernden Umweltbedingungen
normalerweise in einem großen
Bereich an Lastfällen
betrieben. Um unter diesen wechselnden Bedingungen die gewünschte Kühlung effektiv
und effizient zu erreichen, ist es von Vorteil, ein System einzubauen,
durch das sich die Kapazität
des Kühlkompressors
im System variieren lässt.
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Eine
große
Vielzahl an Systemen wurde entwickelt, um die Kapazitätseinstellung
zu bewältigen.
Die verschiedenen Arten von Entlastung und Kapazitätssteuerung,
die sich im Stand der Technik finden, weisen alle verschiedene Nachteile
und/oder Dauerhaftigkeitsprobleme auf. Einige dieser Systeme aus
dem Stand der Technik arbeiten zufriedenstellend, benötigen allerdings
eine beträchtliche
Menge an externen Rohrleitungen oder andere Komponenten, die während des
Versands beschädigt
werden können
und/oder nach der Installation versehentlich beschädigt werden
können.
Außerdem
unterliegt die Feldarbeit, die für
die Installierung und Wartung dieser externen Systeme benötigt wird,
Fehlern, was zu Problemen während
des eigentlichen Betriebs führt
und die Feldarbeitskosten erhöht.
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Andere
Bauformen für
Kapazitätseinstellungssysteme
werden während
der Herstellung des Kompressors installiert. Bei diesen Bauformen
befinden sich alle Hauptkomponenten im Kompressor selbst, mit Ausnahme
einer einzigen Komponente, die normalerweise das einzige Element
ist, das während
der zu erwartenden Laufzeit des Kompressors gewartet werden muss.
Diese einzige externe Komponente ist so aufgebaut, dass sie für eine Wartung
leicht zugänglich
ist und trotzdem so positioniert ist, dass sich die Gefahr, dass
sie versehentlich beschädigt
wird, in Grenzen hält.
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Obwohl
sich gezeigt hat, dass die internen Systeme des Stands der Technik
zufriedenstellend arbeiten, besteht noch immer der Bedarf, sowohl
die Zuverlässigkeit
als auch die Dauerhaftigkeit dieser Kapazitätssteuersysteme zu verbessern.
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Die
Erfindung ist in den Patentansprüchen
definiert. Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt der Technik ein Kapazitätssteuerungssystem
zur Verfügung,
das einen Kolben zum Blockieren der Saugeinlassöffnung verwendet, um die Kapazität des Kompressors
zu vermindern. Das Hochdruckgas, das dem Kolben während der
Aktivierung zugeführt
wird, wird gedrosselt, um die Aufprallgeschwindigkeit des Kolbens zu
senken. Die Reduzierung der Aufprallgeschwindigkeit des Kolbens
erhöht
die Zuverlässigkeit
und Dauerhaftigkeit des Kolbens, der Kolbendichtungen und des Kolbensitzes.
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Weitere
Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es versteht sich, dass
die ausführliche
Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung darstellen, jedoch nur zur Erläuterung dienen, und nicht dazu
gedacht sind, den Bereich der Erfindung einzuschränken.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser ersichtlich aus der ausführlichen
Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, wobei:
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1 eine
fragmentarische Endansicht, teilweise im Querschnitt, eines drei-Reihen
Hubkolbenkompressors zeigt, der das Kapazitätssteuerungssystem nach der
vorliegenden Erfindung beinhaltet;
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2 ein
vergrößerter Querschnitt
eines internen Druckreglers in einer Vollleistungsposition ist;
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3 ein
vergrößerter Querschnitt
des in 2 gezeigten internen Druckreglers in einer Position
mit geminderter Leistung ist;
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4 ein
vergrößerter Querschnitt
eines internen Druckreglers nach einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, wobei sich der Druckregler in einer
Vollleistungsposition befindet; und
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5 ein
vergrößerter Querschnitt
des in 4 gezeigten internen Druckreglers ist, wobei sich
der Druckregler in einer Position befindet, in der die Leistung
gemindert ist.
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist rein exemplarisch
und ist in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendungen
oder Verwendungen einzuschränken.
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Im
Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Referenznummern gleiche
oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten zeigen,
ist in 1 ein Körper
oder Zylinderblockbereich eines Vielzylinder-Kühlkompressors nach der vorliegenden
Erfindung gezeigt, der generell durch die Referenznummer 10 gekennzeichnet
ist. Kompressor 10 zeigt drei Zylinderreihen 12, 14 und 16.
Obwohl nur die Zylinderreihen 14 und 16 dargestellt
sind, ist es selbstverständlich,
dass jede Zylinderreihe einen, zwei oder mehr Zylinder enthalten
kann und dass der dargestellte Aufbau bekannte handelsübliche Praxis
verkörpert
und lediglich erläuternd
ist, insofern es um den Kompressor selbst geht.
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Jede
Zylinderreihe 12, 14, und 16 definiert
einen Kompressionszylinder 20, in dem ein Kolben 22 verschiebbar
angeordnet ist. Die Zylinderreihe 14 ist mit einem Kapazitätssteuerungssystem 24 dargestellt,
wohingegen die Zylinderreihe 16 ohne Kapazitätssteuerungssystem 24 dargestellt
ist. Wie unten genau beschrieben, können eine oder mehrere der
Zylinderreihen 12, 14 und 16 ein Kapazitätssteuerungssystem 24 enthalten.
Die Zylinderreihe 16 enthält einen Zylinderkopf 26,
der den Zylinder 20 schließt und der eine Saugkammer 28 und
eine Abgabekammer 30 definiert. Ein Einlassventil 32 steuert
den Austausch zwischen der Saugkammer 28 und dem Zylinder 20 und
ein Auslassventil 34 steuert den Austausch zwischen der
Abgabekammer 30 und dem Zylinder 20. Ein Einlassdurchgang 36 erstreckt
sich zwischen der Saugkammer 28 und einer gemeinsamen Saugkammer
(nicht gezeigt) des Kompressors 10, die wiederum offen
zum Einlass des Kompressors ist. Die Ablasskammer 30 steht
durch einen Ablassdurchgang (nicht gezeigt) mit dem Auslass des
Kompressors 10 in Verbindung.
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2 und 3 zeigen
eine nicht beanspruchte Anordnung, die dazu dient, die Erfindung
zu erklären, die
in 4 und 5 gezeigt ist.
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Im
Bezug auf 1 und 2 ist die
Zylinderreihe 14 dargestellt, die ein Kapazitätssteuersystem 24 enthält. Das
Kapazitätssteuersystem 24 enthält einen
Zylinderkopf 40, eine Steuerkolbenanordnung 42 und eine
Solenoidventilanordnung 44. Der Zylinderkopf 40 schließt den Zylinder 20 und
definiert eine Saugkammer 46 und eine Abgabekammer 48.
Ein Einlassventil 32 steuert den Austausch zwischen der
Saugkammer 46 und dem Zylinder 20 und ein Ablassventil 34 steuert
den Austausch zwischen der Ablasskammer 48 und dem Zylinder 20.
Ein Einlassdurchgang 50 erstreckt sich zwischen der Saugkammer 46 und
der gemeinsamen Saugkammer des Kompressors 10. Die Ablasskammer 48 steht
durch einen Ablassdurchgang (nicht gezeigt) mit dem Ablass des Kompressors 10 in
Verbindung. Der Zylinderkopf 40 definiert einen Ablassdruckdurchgang 52, der
sich zwischen der Ablasskammer 48 und der Solenoidventilanordnung 44 erstreckt,
einen Einlassdruckdurchgang 54 (2), der
sich zwischen der Saugkammer 46 und der Solenoidventilanordnung 44 erstreckt und
einen Steuerdurchgang 56, der sich zwischen der Solenoidventilanordnung 44 und
einer Steuerkammer 58, die durch den Zylinderkopf 40 definiert
ist, erstreckt.
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Die
Steuerkolbenanordnung ist verschiebbar innerhalb der Steuerkammer 58 angeordnet
und enthält einen
Ventilkörper
oder Kolben 60 und eine vorbelastende Feder 62.
Der Kolben 60 ist verschiebbar innerhalb der Steuerkammer 58 angeordnet
und eine Dichtung befindet sich zwischen dem Kolben 60 und
der Steuerkammer 58. Die vorbelastende Feder 62 ist
zwischen dem Kolben 60 und der Zylinderreihe 14 angeordnet
und eine Dichtung 64 ist am Kolben 60 angebracht.
Die Dichtung 64 ist in Eingriff mit der Zylinderreihe 14 zum
Blockieren eines Einlassdurchgangs 50, wenn sich die Kolbenanordnung 42 in
der geschlossenen Position befindet. Die vorbelastende Feder 62 drängt die
Kolbenanordnung 42 in eine offene Position.
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Die
Solenoidventilanordnung 44 enthält einen Ventilblock 66 und
ein Solenoidventil 68. Der Ventilblock 66 ist
am Zylinderkopf 40 gesichert und definiert einen Ablasssteuerdurchgang 70,
der in Verbindung mit dem Ablassdruckdurchgang 54 steht,
einen Einlasssteuerdurchgang 72, der in Verbindung mit
dem Saugdruckdurchgang 54 steht, und einen gemeinsamen
Steuerdurchgang 74, der mit dem Steuerdurchgang 56 in
Verbindung steht. Ein Ablassventilsitz 76 ist zwischen
dem Ablasssteuerdurchgang 70 und dem gemeinsamen Steuerdurchgang 74 angeordnet,
und eine Einlassventilsitz 78 ist zwischen dem Einlasssteuerdurchgang 72 und
dem gemeinsamen Steuerdurchgang 74 angeordnet.
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Das
Solenoidventil 68 enthält
eine Solenoidspule 80 und ein Nadelventil 82.
Das Nadelventil 82 ist zwischen den Ventilsitzen 76 und 78 angeordnet
und bewegt sich zwischen einer ersten und einer zweiten Position.
In seiner ersten Position ist die Verbindung zwischen dem Ablasssteuerdurchgang 70 und
dem gemeinsamen Steuerdurchgang 74 blockiert, der Austausch
zwischen dem Einlasssteuerdurchgang 72 und dem gemeinsamen
Steuerdurchgang 74 ist jedoch möglich. In seiner zweiten Position
ist der Austausch zwischen dem Ablasssteuerdurchgang 70 und
dem gemeinsamen Steuerdurchgang 74 möglich, der Austausch zwischen dem
Einlasssteuerdurchgang 72 und dem gemeinsamen Steuerdurchgang 74 ist
jedoch unterbunden. Das Nadelventil 82 und somit das Solenoidventil 68 ist
normalerweise durch ein vorbelastendes Element 84 in die
erste Position vorbelastet, was die volle Kapazität für den Kompressor 10 ermöglicht.
Die Aktivierung der Solenoidspule bewegt das Nadelventil 82 und
somit das Solenoidventil 68 in seine zweite Position, was
dazu führt, dass
der Kompressor 10 mit verminderter Kapazität arbeitet.
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Im
Bezug auf 2 ist das Kapazitätssteuersystem 24 bei
voller Kapazität
oder in der ersten Position dargestellt. In dieser Position ist
die Solenoidspule 80 spannungsfrei und das Nadelventil 82 ist
gegen den Ablassventilsitz 76 vorbelastet. Das Vorbelasten
des Nadelventils 82 gegen den Ablassventilsitz 76 schließt den Ablasssteuerdurchgang 70 und öffnet den
Einlasssteuerdurchgang 72. Somit steht die Steuerkammer 58 durch
den gemeinsamen Steuerdurchgang 74, den Einlassventilsitz 78,
den Einlasssteuerdurchgang 72 und den Einlassdruckdurchgang 54 mit
der gemeinsamen Saugkammer des Kompressors 10 in Verbindung.
Das Fluid wirkt bei Einlassdruck sowohl gegen die obere als auch
gegen die untere Fläche
des Kolbens 60 und der Kolben 60 wird durch die
vorbelastende Feder 62 von der Zylinderreihe 14 weg
gedrängt.
Die Bewegung des Kolbens 60 weg von der Zylinderreihe 14 bringt
den Einlassdurchgang 50 in Verbindung mit der Einlasskammer 46 und
ermöglicht
den ungehinderten Fluss des eingesaugten Gases und den Betrieb der
Zylinderreihe 14 bei voller Kapazität.
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Im
Bezug auf 3 ist das Kapazitätssteuersystem 24 bei
verminderter Kapazität
oder in seiner zweiten Position dargestellt. In dieser Position
ist die Solenoidspule 80 erregt und das Nadelventil 82 ist
gegen den Einlassventilsitz 78 vorbelastet. Durch das Vorbelasten
des Nadelventils 82 gegen den Einlassventilsitz 78 wird
der Einlasssteuerdurchgang 72 geschlossen und der Ablasssteuerdurchgang 70 geöffnet. Somit
steht die Steuerkammer 58 durch den gemeinsamen Steuerdurchgang 74,
den Ablassventilsitz 76, den Ablasssteuerdurchgang 70 und
den Ablassdruckdurchgang 52 mit dem Ablassdruck vom Ablasss
des Kompressors 10 in Verbindung. Das Fluid wirkt bei Ablassdruck
gegen die obere Fläche
des Kolbens 60 und drängt
den Kolben 60 gegen die Kraft, die durch die vorbelastende
Feder 62 erzeugt wird, in Eingriff mit der Zylinderreihe 14.
Die Verbindung von Kolben 60 und Dichtung 64 mit
der Zylinderreihe 14 schließt den Einlassdurchgang 50 und verhindert,
dass Fluid unter Einlassdruck in die Saugkammer 46 gelangt.
Die Kapazität
der Zylinderreihe 14 ist im Wesentlichen auf Null reduziert.
Der Ablasssteuerdurchgang 70 ist mit einer Öffnung 90 versehen,
die die Strömung
von Fluid unter Ablass druck vom Steuerdurchgang 70 zur
Steuerkammer 58 beschränkt.
Durch Beschränkung
der Strömung
von Fluid unter Ablassdruck in die Steuerkammer 58 wird
die Geschwindigkeit des Kolbens 60 reduziert, was dann
die Stoßkraft
zwischen Kolben 60 und Zylinderreihe 14 abschwächt. Die
Verringerung der Stoßkraft
reduziert Beschädigungen
und Abnutzung des Kolbens 60, der Dichtung 64 und
des Sitzes auf der Zylinderreihe 14. Das wiederum verbessert
die Zuverlässigkeit
des Kompressors 10 erheblich.
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In
diesem Beispiel hat der Kolben 60 einen Durchmesser von
etwa einem Inch und einen Hub von etwa 0,7874 cm (0,310 Inch). Bei
diesen Maßen
liegt der bevorzugte Durchmesser für eine Öffnung 90 zwischen 0,508
cm (0,020 Inch) und 0,1524 cm (0,060 Inch) und noch bevorzugter
zwischen 0,762 cm (0,030 Inch) und 0,127 cm (0,050 Inch).
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Aus
diesen Daten wurde durch bekannte Gleichungen folgende Liste an
Werten berechnet:
| | Kolben | „Bevorzugter" Öffnungsbereich | „Noch bevorzugter" |
| Durchmesser
(cm) (in) | 2,54
cm (1,000) | 0,0508
bis 0,1524 (0,020 bis 0,060) | 0,0762
bis 0,127 (0,030 bis 0,050) |
| Querschnittsfläche (m2) (in2) | 0,000506 (0,785) | 2,03 × 10–7 bis
1,83 × 10–4 (0,000314
bis 0,00283) | 4,56 × 10–7 bis
1,83 × 10–6 (0,000707
bis 0,00196) |
| Hub
(cm) (in) | 0,7874 (0,310) | Keine
Angabe | Keine
Angabe |
| Verdrängung (m3) (in3) | 6,53 × 10–11 (0,243) | Keine
Angabe | Keine
Angabe |
| Verhältnis des
Kolbens zu den Öffnungsdurchmessern | Keine
Angabe | 50,0:1
bis 16,7:1 | 33,3:1
bis 20,0:1 |
| Verhältnis des
Kolbens zu den Öffnungsflächen | Keine
Angabe | 2500:1
bis 277:1 | 1110:1
bis 401:1 |
| Verhältnis der
Kolbenverdrängung
zum Öffnungsdurchmesser | Keine
Angabe | 12,2:1
bis 4,05:1 | 8,1:1
bis 4,86:1 |
| Verhältnis der
Kolbenverdrängung
zur Öffnungsfläche | Keine
Angabe | 77,4:1
bis 85,9:1 | 344:1
bis 124:1 |
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Obwohl
die vorliegende Erfindung so beschrieben ist, dass sie nur eine
Zylinderreihe 14 hat, die das Kapazitätssteuersystem 24 enthält, ist
es im Bereich der Erfindung, dass sie Kapazitätssteuersysteme 24 auf mehr
als einer Zylinderreihe enthält,
jedoch nicht auf allen Zylinderblöcken, da das Ablassdruckfluid
für die
Bewegung des Kolbens 60 benötigt wird. Bei der vorliegenden
Erfindung mit drei Zylinderreihen ermöglicht es die Eingliederung
eines Kapazitätssteuersystems,
dass die Kapazität
des Kompressors 10 zwischen 2/3 Kapazität und voller Kapazität variiert.
Die Eingliederung von zwei Kapazitätssteuersystemen 24 ermöglicht,
dass die Kapazität
des Kompressors 10 zwischen 1/3 Kapazität und voller Kapazität variiert.
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Die
Solenoidspule 80 ist als spannungsfrei beschrieben, um
ein Nadelventil 82 in eine erste Position zu bringen, die
für volle
Kapazität
sorgt, und als erregt, um das Nadelventil 82 in eine zweite
Position zu bringen, die für
eine Verminderung der Kapazität
sorgt. Es ist im Bereich der vorliegenden Erfindung, die Solenoidspule 80 in
einer gepulsten Weiteneinstellungs-Betriebsart zu betreiben, um für eine infinitesimale
Anzahl von Kapazitäten
zwischen der voll verminderten Kapazität und der vollen Kapazität zu sorgen.
Auf diese Weise, und durch Eingliederung des Kapazitätssteuersystems 24 auf
zwei der Zylinderblöcke,
kann jede Kapazität zwischen
1/3 Kapazität
und voller Kapazität
als die Kapazität
des Kompressors 10 gewählt
werden.
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Im
Bezug auf 4 und 5 ist ein
Kapazitätssteuersystem 124 dargestellt.
Das Kapazitätssteuersystem 124 ist
das gleiche wie das Kapazitätssteuersystem 24,
nur dass die Öffnung 90 vom
Ablasssteuerdurchgang 70 zu einer Dichtung 92 verlagert
wurde, die zwischen dem Zylinderkopf 40 und dem Ventilblock 66 angebracht
ist. Der Betrieb und die Funktion des Kapazitätssteuersystems 124 sind
identisch mit dem oben für
das Kapazitätssteuersystem 24 erklärten. 4 stellt
das Kapazitätssteuersystem 124 bei
voller Kapazität dar
und 5 stellt das Kapazitätssteuersystem 124 bei
verminderter Kapazität
dar.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhaft und somit
ist beabsichtigt, dass Variationen, die nicht vom Bereich der beigefügten Patentansprüche abweichen,
innerhalb des Bereichs der Erfindung sind.