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Elektromagnetisch betriebener Verdichter Die Erfindung betrifft und
verbessert jene Gattung elektromagnetisch betriebener Verdichter oder gleichartiger
Vakuumpumpen, bei der das Verdichterorgan mit dem Anker eines wechselstromgespeisten
Elektromagneten ein gefedertes, genau oder angenähert auf Resonanz mit dem schwingungserzeugenden
magnetischen Wechselfeld abgestimmtes Schwingsystem bildet und der Druckhub während
der Entspannung eines federnden Gliedes erfolgt. Diese Verdichter hatten bisher
den Nachteil, daß der gewünschte Resonanzzustand nur bei Förderung auf einen bestimmten
Enddruck auftritt und die Schwingleistung schon bei geringen Abweichungen von diesem
günstigsten Druck erheblich abnimmt, was vor allem dem resonanzstörenden
Einfluß des der Krümmung der Verdichtungslinie entsprechenden Druckanstieges des`Arbeitsmediums
zuzuschreiben ist, der bei der bisher üblichen Verwendung eines einem linearen Federgesetz
folgenden federnden Gliedes zu voller Geltung kommt.
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Verwendet man aber gemäß der Erfindung ein federndes Glied, das einem
passend gewählten nichtlinearen Federgesetz folgt, so ist es möglich, diesen resonanzstörenden
Einfluß annähernd auszugleichen und einen Schwingungszustand herbeizuführen, der
sich auch bei veränderlichem Enddruck dem Idealzustand har= monischer Schwingungen
mehr nähert als der Schwingungszustand, der bei Verwendung von Federn mit linearem
Federgesetz zustande kommt. Die Erfindung ergibt also einen günstigeren Schwingungscharakter
und erweitert außerdem jenen Bereich der Enddrücke, innerhalb dessen die Resonanz
des Schwingsystems erhalten bleibt; d. h. jenen Leistungsbereich, in dem ein günstiger
Betriebszustand herrscht. .
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Um den Vorteil eines richtig gewählten nichtlinearen Federgesetzes
besser verständlich zu machen, sei auf die Diagramme der Abb.5 und 6 Bezug genommen,
in welchen die Ordinaten die auf das Schwingsystem einwirkenden elastischen Kräfte
und die Abszissen die Schwingungswege des Förderorgans darstellen, wobei die zum
Punkt A gehörige Abszisse der bei Verdichtungsbeginn erreichten äußersten Lage des
Förderorgans entspricht. Der Linienzug A-B-C D deutet das Druckdiagramm des
Verdichters an.
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Während der Entspannung der Schwingfeder, also während des Druckhubes
des Förderorgans, wirken auf das Schwingsystem (wenn von magnetischen Kräften abgesehen
wird) die Federkraft f (Ordinaten der Linie F) und der ihr entgegenwirkende Druck
p des Arbeitsmediums (Luftdruck), dessen Größe den Ordinaten der Verdichtungslinie
A-B-C des Druckdiagramms entspricht und daher der Krümmung dieser Linie folgt (die
Kurve ist zwischen A und B adiabatisch, weicht aber zwischen
B
'und C wegen Ausströmens von Luft durch die. Druckventile
von der Adiabate ab). Die algebraische Summe der Kräfte f und P ergibt die resultierende
Kraft h (Ordinaten der Linie H). Die Linie H, die den Zusammenhang zwischen rücktreibender
Kraft h und Schwingungsweg angibt, ist für den Schwingungscharakter maßgebend.
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Wird nun, wie dies bisher üblich war und in Abb. 5 dargestellt ist,
eine Schwingfeder verwendet, die einem linearen Federgesetz folgt, ist also F eine
Gerade, so ist H eine krumme Liriie, 'da in der Summe h = f -E- P zu dem
linearen Glied f das Glied P hinzutritt, dessen Größenänderungen dem gekrümmtenVerlaufder
Verdichtungslinie A-B-C entsprechen. Es liegt daher nicht der stets anzustrebende
harmonische Schwingungsfall vor.
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Verwendet man dagegen im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Schwingfeder
mit nichtlinearem Federgesetz, so kann man dem harmonischen Schwingungszustand viel
näherkommen, indem man das Federgesetz F so wählt, daß sich die Linie H dem geradlinigen
Verlauf möglichst nähert, jedenfalls mehr als dies bei einem linearen Federgesetz
der Fall ist. Der theoretisch günstigste Fall ist in Abb. 6 dargestellt, wo H eine
Gerade ist und das hierzu erforderliche nichtlineare Federgesetz F aus der Beziehung
f = lt - p ermittelt wurde. In der Praxis wird man trachten, die Schwingfeder so
auszubilden und zu bemessen, daß ihr Federgesetz sich zumindest einem Teil dieser
Linie F möglichst anschmiegt, natürlich unter Berücksichtigung der zu beobachtenden
konstruktiven und technologischen Bedingungen, die die Grenze der zulässigen Annäherung
an den theoretischen Idealfall jeweils bestimmen werden.
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Fördert der Verdichter auf verschiedene Enddrücke, so wird bei jedem
dieser Enddrücke die Verdichtungslinie und daher auch die Linie H der resultierenden
Schwingkraft anders verlaufen. Es ergibt sich. so statt einer Linie H eine Kurvenschar,
die das Verhalten des Schwingsystems kennzeichnet. Im Falle der Abb. 6 (nichtlineares
Federgesetz) verläuft nun diese Kurvenschar bedeutend günstiger als im Falle der
Abb. 5 (lineares Federgesetz), weil im 'ersten Fall (Abb. 6) die mittlere Neigung
der Kurven H, welche die Schwingungsfrequenz bestimmt, bei einer Veränderung des
-Gegenenddruckes viel geringere .Änderungen erleidet. Das bedeutet, daß ein passend
gewähltes .nichtlineares Federgesetz den Druckbereich erweitert, in welchem der
Resonanzzustand mit genügender'Annäherung besteht.
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Als Schwingfedern, die einem nichtlinearen Federgesetz folgen, empfiehlt
es sich, Kegelfedern zu .verwenden, die so ausgeführt sind, daß sich die unteren
Windungen bei Belastung allmählich auf die Federstützfläche auflegen, wodurch die
Zahl der wirksamen Windungen vermindert und die Kraftzunahme je Einsenkungseinheit
erhöht wird. Es sei bemerkt, daß man kegelförmige ' Federn bereits bei andersgearbeiteten
elektromagnetischen Verdichterantrieben-vorgesehen hat, bei denen sie jedoch weder
-die Aufgabe hatten noch in der Lage waren, zur Aufrechterhaltung eines Resonanzzustandes
des Schwingsystems und zur Verringerung des resonanzstörenden Einflusses der Verdichtungslinie
des Druckdiagramms zu dienen.
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Statt einer Kegelfeder kann man auch einen passend geformten Gummiblock
verwenden, wie überhaupt jedes federnde Glied, das sich für die Zwecke der Erfindung
eignet.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verdichters, und zwar Abb. x im wesentlichen einen Längsschnitt und Abb. 2 den Grundriß
; Abb. 3 zeigt die abgeänderte Ausbildung des federnden Gliedes; Abb. 4 ist ein
Diagramm zur Darstellung von Leistungskennlinien.
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Im Ausführungsbeispiel der Zeichnung ist i der Elektromagnet, dessen
Wicklung 2 vom Netzwechselstrom durchflossen wird und dadurch auf den Anker 3 eine
ihrer Intensität nach periodisch sich ändernde Anziehungskraft ausübt. Der Elektromagnet
= besitzt einen möglichst geschlossenen Eisenkreis, um bei geringstem Gewicht und
Raumbedarf eine möglichst große elektromagnetische Leistung zur Verfügung zu stellen.
Aus diesem Grunde ist auch die Zahl und Größe der den Eisenkreis unterbrechenden
Luftspalte 4, 4', 4" auf ein Mindestmaß beschränkt, wozu auch die zur Schwingungsrichtung
des Ankers 3 schräge Lage der Luftspalte 4' und 4" beiträgt.
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Im Anker 3 ist das untere Ende .der gabelförmigen, aus plattenförmigem
Material zusammengesetzten Kolbenstange 5 befestigt, welche an ihrem oberen Ende
die gewölbte Unterplatte 6 des Kolbens trägt. Mit dieser Platte 6 ist der aus Gummi
hergestellte Kolbenkörper 7 durch den einvulkanisierten Ring 8 und die Klauen g
verbunden. Der Randteil 7d des Kolbenkörpers 7 hat eine geringere Stärke, so daß
er membranartig wirkt, und ist zusammen mit den übrigen Teilen des Verdichters .in
einem Ring io eingespannt, der von den Streben ii des Verdichtergestells getragen
wird. Die bisher beschriebenen Teile des schwingenden Systems, nämlich der Anker
3, der Kolben 7 und die Kolbenstange 5, sollen, um die Trägheitswiderstände möglichst
herabzusetzen, so leicht wie möglich sein, was auch bei ihrer .Formgebung zu berücksichtigen
ist.
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Die Unterplatte 6 des Arbeitskolbens 7 ist durch einen Gummiklotz
13, der auf dem die Streben ii verbindenden Querhaupt 12 aufgesetzt
ist,
gegen den ruhenden Teil der Maschine abgefedert. Dieser Gummiklotz 13 ist ein federnder,
blockartiger Körper aus elastischem Material, der durch geeignete Formgebung auf
-die gewünschte Frequenz abgestimmt werden kann und eine nichtlineare Charakteristik
besitzt, deren Verlauf gleichfalls durch richtige Formgebung beeinflußt werden kann.
Statt des elastischen Körpers 13 kann eine kegelförmige Feder 13a als Stütze oder
Tragfeder des schwingenden Systems verwendet werden, wie dies Abb.3 andeutet. Bei
der Ausbildung der Federung des schwingenden Kolbens ist auch darauf zu achten,
daß die Feder ein möglichst geringes Gewicht besitzt. Um im Laufe des Betriebes
stattfindende Veränderungen der Vorspannung der Federung 13 bzw. 13a und damit Veränderungen
ihrer Eigenfrequenz oder Charakteristik zu beseitigen oder auch um eine genaue Justierung
der Federvorspannung zu ermöglichen, ist das Querhaupt 12 mittels Schrauben 14 auf
den Streben il verstellbar. Unerwünschte Lagenänderungen des Gummikörpers 13 werden
durch die zentrierenden Dorne 15 und 15' verhindert.
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Der Arbeitskolben 7 schließt mit dem ihm gegenüberliegenden, gleichfalls
im Ring io eingespannten Gehäusedeckel 16 den Arbeitsraum 17 des Verdichters ein.
Im Deckel 16 sind das Saug- und das Druckventil des Verdichters angeordnet, so daß
der schwingende Membrankolben 7 keine Ventilbestandteile enthält, die seine Masse
vergrößern. Die Verwendung eines selbsttätig arbeitenden Saugventils verlangt aber,
daß dessen bewegliche Teile so ausgeführt werden, daß sie dein schnellen Arbeitsrhythmus
des erfindungsgemäßen Verdichters folgen können. Es empfiehlt sich daher, die Saugventilklappe
- und das gleiche gilt auch für die Druckventilklappe - möglichst leicht im Gewicht
auszubilden und ihr eine solche Form zu geben, daß sie sich mit der Frequenz der
Kolbenschwingung oder mit einer noch höheren Frequenz öffnen und schließen kann.
Im Ausführungsbeispiel der Zeichnung wird dies durch eine in der Mitte linsenförmig
verdickte Saugventilklappe 18 aus Gummi erreicht, deren Randteil die im Deckel 16
angeordneten Saugöffnungen 19 bedeckt. Die Saugventilklappe 18 wird im Deckel 16
durch eine die erforderliche Vorspannung der Klappe sichernde Schraube 2o festgehalten.
Das Druckventil 21 ist als ringförmige Membran ausgebildet, die öffnungen 22 besitzt,
welche gegenüber entsprechenden Öffnungen 23 des Deckels 16 versetzt angeordnet
sind.
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Der Gehäusedeckel 16 ist so geformt, daß bei eingesetzter Saugventilklappe
18 der schädliche Raum, falls der Hub des Membrankolbens genügend groß ist, auf
ein Minimum verringert wird. Es kann bei einer solchen Ausbildung des Arbeitsraumes
durch entsprechende Abstimmung der- Eigenfrequenz .des schwingenden Systems auf
die Frequenz der magnetischen Kraft und durch richtige Bemessung der hubbegrenzenden
Gegenkräfte ein Hubraum des Verdichterorgans eingestellt werden, der den Arbeitsraum
fast ganz ausfüllt. Oberhalb des Deckels 16 befinden sich der Saugraum 27 mit dem
Saugstutzen 24 und der Druckraum 25 mit dem Druckstutzen 26. Die diese Räume begrenzenden
Hauben 28 und 29 sind am Deckel 16 bzw. am Ring io befestigt und können durch Lösen
der Schrauben 30 mitsamt dem Deckel 16 leicht abgehoben werden. Der Elektromagnet
1 und die Streben 11 stehen auf Füßen 31 und 32, die aus einem geräusch- und stoßdämpfenden
Material bestehen.
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Das nichtlineare Verhalten der Kolbenfederung verbessert nicht nur
den Charakter der Schwingungen, sondern trägt auch dazu bei, daß im allgemeinen
die Größe des Membrankolbenhtibes von der Größe der Arbeitsleistung des Verdichters
wenig beeinflußt wird, da die eingestellte Resonanz in den verschiedenen Betriebszuständen
des Verdichters gewahrt bleibt.
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Dies läßt sich deutlich aus Abb. q. erkennen, in welcher die Ordinaten
die geförderte Luftmenge (in Liter pro Stunde), bezogen auf den Ansaugezustand,
und die Abszissen den Endüberdruck (in Atm.) der verdichteten Luft angeben. Die
gestrichelte Linie I veranschaulicht die Leistungscharakteristik, die sich in einem
speziellen Fall bei einem Verdichter mit linearer Federcharakteristik ergab; nach
Ersatz dieser Feder durch eine solche mit nichtlinearer Charakteristik erhielt man
die durch die vollausgezogene Linie II dargestellte günstigere Kennlinie.
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In Abb. i der Zeichnung ist die tiefste Lage des schwingenden Systems
(Kolben und Anker) für normalen Betrieb eingezeichnet. Wird unter außergewöhnlichen
Betriebsbedingungen die maximale Schwingungsamplitude überschritten, so verhindert
das Anschlagen der unteren Ankerfläche 33 an die ihr gegenüberliegende Fläche 3¢
des Elektromagnetkernes bzw. das Anschlagen des Kolbenkörpers 7 an den Deckel 16
ein unzulässig großes Ausschwingen des Membrankolbens.