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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter mit variabler Förderleistung,
der zur Verwendung in Fahrzeug-Klimatisierungssystemen geeignet ist,
und betrifft im Besonderen eine Verbesserung an einem Verdichter
mit variabler Förderleistung
von der Art, welche einen Gasabzugskanal aufweist, der eine Fluidverbindung
zwischen einer Kurbelkammer und einer Saugkammer bereitstellt, wie
z.B. in US-A-5 486 098 und US-A-5 529 461 offenbart.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Aus
dem Stand der Technik ist als ein Verdichter mit variabler Förderleistung,
der in der Lage ist, seine Förderleistung
zu ändern,
ein Verdichter bekannt, welcher aufweist: einen Zylinderblock, der
mit einer Mehrzahl von Bohrungen um seine zentrale Achse herum versehen
ist, eine Antriebswelle, die in eine Wellenöffnung des Zylinderblocks eingefügt und von
demselben so gehalten ist, dass sie um ihre zentrale Achse drehbar
ist, eine Taumelscheibe, die von der Antriebswelle im Inneren einer
Kurbelkammer so gehalten ist, dass sie ihren Neigungswinkel bezüglich einer
zu der zentralen Achse der Antriebswelle vertikalen Ebene verändern kann,
Kolben, welche mit der Taumelscheibe gekoppelt und im Inneren der
Bohrungen hin- und herbeweglich sind, ein Gehäuse, das eine Endfläche des
Zylinderblocks abschließt
und eine Saugkammer für
ein Kältemittel
vor Kompression und eine Ausstoßkammer
für das
Kältemittel
nach Kompression aufweist, einen Gasabzugskanal, der eine konstante
Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer und der Saugkammer bereitstellt,
einen Gaszuführkanal,
der eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer und der Ausstoßkammer
bereitstellt, und ein Förderleistungssteuerventil
zum Öffnen und
Schließen
des Gaszuführkanals.
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Bei
diesem Verdichter öffnet
in dem Falle, dass der Saugkammerdruck unter einen eingestellten
Wert fällt,
das Förderleistungssteuerventil
den Gaszuführkanal
als Antwort auf den Druck. Wenn der Saugkammerdruck auf einen Wert
ansteigt, der über dem
eingestellten Wert liegt, schließt das Förderleistungssteuerventil den
Gaszuführkanal.
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Wenn
also der Verdichter bei voller Leistung betrieben wird mit durch
das Förderleistungssteuerventil
geschlossenem Gaszuführkanal,
fließt
das vorbeiströmende
Kältemittelgas
von den Kompressionskammern in den Bohrungen zu der Kurbelkammer stets
durch den Gasabzugskanal zurück
zu der Saugkammer, um die Differenz zwischen dem Kurbelkammerdruck
und dem Saugkammerdruck auf einem extrem kleinen Wert und die Taumelscheibe
bei ihrem maximalen Neigungswinkel zu halten. Fällt der Saugkammerdruck unter
den eingestellten Wert gemäß einer
Abnahme der thermischen Last des Klimatisierungssystems, wird das
Förderleistungssteuerventil
geöffnet,
um ein Hochdruckkältemittelgas
von der Ausstoßkammer
der Kurbelkammer zuzuführen, was
einen Anstieg des Kurbelkammerdrucks verursacht. Anders gesagt,
die Differenz zwischen dem Kurbelkammerdruck und dem Saugkammerdruck wird
größer, und
der Neigungswinkel der Taumelscheibe wird graduell vermindert, um
die Förderleistung
des Verdichters zu vermindern. Später beginnt die thermische
Last wieder zu steigen wegen der Fortsetzung des Betriebs mit kleiner
Förderleistung. Wenn
das Förderleistungssteuerventil
geschlossen wird gemäß einem
Anstieg des Saugkammerdrucks auf einen Wert oberhalb des eingestellten
Wertes, fällt
der Kurbelkammerdruck, weil das Kältemittelgas stets von der
Kurbelkammer durch den Gasabzugskanal zu der Saugkammer strömt, d.h.
der Neigungswinkel der rotierenden Taumelscheibe wird größer. Der
Kurbelkammerdruck wird also gemäß dem Saugkammerdruck
eingestellt. Basierend hierauf wird der Neigungswinkel der Taumelscheibe
anpassbar verändert
und die Förderleistung
des Verdichters gesteuert.
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Bei
dem oben erwähnten
Verdichter mit variabler Förderleistung
kann der Übergang
von Betrieb mit großer
Förderleistung
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
durch positives Zuführen
von Ausstoß-Kältemittelgas
in die Kurbelkammer erzielt werden, wobei das Kältemittelgas in der Kurbelkammer konstant
durch den Gasabzugskanal zu der Saugkammer zurückfließen gelassen wird. Namentlich wird
ein Teil des durch den Verdichter komprimierten Kältemittelgases
zum Steuern der Förderleistung
des Verdichters per se verwendet. Bei diesem Steuerungssystem nimmt
bei großer
Querschnittsfläche des
Gasabzugskanals die Menge des in die Kurbelkammer zugeführten Gases
zum Zeitpunkt des Übergangs
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
proportional zu der Querschnittsfläche des Gasabzugskanals zu.
Demnach muss die Kältemittelgasmenge, die
für den Übergang
von Betrieb mit großer
Förderleistung
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
unwirtschaftlich eingesetzt wird, erhöht werden, so dass ein großer Leistungsverlust
resultiert. Um also den Kurbelkammerdruck effektiv mit einer kleinen
Zuführgasmenge
zu erhöhen
und den oben genannten Leistungsverlust zum Zeitpunkt des Übergangs
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
zu vermindern, muss der Gasabzugskanal mit einer kleinen Querschnittsfläche ausgebildet
werden.
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Wenn
die Querschnittsfläche
des Gasabzugskanals kleiner gemacht wird, besteht jedoch die Gefahr,
dass Schlamm und andere Fremdstoffe, die in dem Kältemittelgas
enthalten sind, den Gasabzugskanal verstopfen mit dem Resultat,
dass dessen Funktion als Gasabzugskanal vollständig verloren geht.
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Weiter
wird bei dem oben genannten Verdichter mit variabler Förderleistung
der sich zwischen der Saugkammer und der Kurbelkammer erstreckende
Gasabzugskanal normalerweise so ausgebildet, dass er durch den Zylinderblock
verläuft.
Ferner werden aufgrund der Forderungen nach Gewichtsreduzierung
des Verdichters in neuerer Zeit Aluminiumlegierungen als Material
für Zylinderblöcke und
Kolben verwendet; bohrt man nun aber ein Loch kleinen Durch messers
als Gasabzugskanal in einen Zylinderblock, der aus einer Aluminiumlegierung
hergestellt ist, dann ergibt sich auch das Problem, dass die Bearbeitungsgenauigkeit
und Produktivität
gemindert werden infolge der Anhaftung von Spänen an den Bohrer während des
Bohrvorgangs.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung
eines Verdichters mit variabler Förderleistung, der das Problem
der Verstopfung durch Fremdstoffe und das Problem der Verminderung
der Bearbeitungsgenauigkeit lösen kann
und dabei gleichzeitig den Leistungsverlust niedrig hält.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verdichter mit variabler
Förderleistung
bereitgestellt, umfassend einen Zylinderblock, der eine zentrale
Achse aufweist und mit einer Mehrzahl von Bohrungen um die zentrale
Achse herum versehen ist; eine Antriebswelle, die in eine Wellenöffnung des
Zylinderblocks eingefügt
und von dem Zylinderblock drehbar gehalten ist; eine Taumelscheibe,
die im Inneren einer Kurbelkammer benachbart zu dem Zylinderblock
bereitgestellt und von der Antriebswelle so gehalten ist, dass sie
ihren Neigungswinkel bezüglich
einer zu der zentralen Achse der Antriebswelle vertikalen Ebene
verändern
und zusammen mit der Antriebswelle rotieren kann; Kolben, die mit
der Taumelscheibe gekoppelt und im Inneren der Bohrungen hin- und
herbeweglich sind; ein Gehäuse,
das eine Endfläche
des Zylinderblocks abschließt
und eine Saugkammer und eine Ausstoßkammer aufweist; einen Gasabzugskanal,
der eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer und der Saugkammer
bereitstellt; einen Gaszuführkanal, der
eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer und der Ausstoßkammer
bereitstellt; ein Förderleistungssteuerventil,
angeordnet an dem Gaszuführkanal,
zum anpassbaren Ändern
des Neigungswinkels der Taumelscheibe basierend auf einer anpassbaren Änderung
des Kurbelkammerdrucks, um dadurch eine Förderleistung des Verdichters
zu steuern; und ein Ventilelement, das in dem Gasabzugskanal angeordnet
ist und in Verbindung mit der Rotation der Antriebswelle betrieben
wird, so dass der Gasabzugskanal durch das Ventilelement intermittierend geöffnet werden
kann während
der Rotation der Antriebswelle.
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Bei
diesem Verdichter mit variabler Förderleistung wird dadurch,
dass der eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer und der
Saugkammer bereitstellende Gasabzugskanal mittels des Ventilelementes,
welches in Verbindung mit der Rotation der Antriebswelle betrieben
wird, intermittierend geöffnet werden
kann, die Menge an Kältemittelgas,
die von der Kurbelkammer durch den Gasabzugskanal zu der Saugkammer
zurückfließt, um genau
die Menge an Kältemittelgas
vermindert, die durch den Gasabzugskanal fließen kann, sofern er nicht durch
das Ventilelement geschlossen ist, und wird eine Menge, die als
Antwort auf die Drehzahl der Antriebswelle bestimmt wird. Selbst
wenn also die Querschnittsfläche des
Gasabzugskanals so weit vergrößert wird,
dass Verstopfung des Kanals durch Schlamm und andere Fremdstoffe
verhindert und die Bearbeitungsgenauigkeit und Produktivität gewährleistet
werden können,
kann die Erhöhung
der Gasmenge, die der Kurbelkammer zum Zeitpunkt des Übergangs
von Betrieb mit großer
Förderleistung
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
zugeführt
wird, um genau die verminderte Menge an Kältemittelgas, die zu der Saugkammer
zurückfließt, unterdrückt werden
und damit auch die Vergrößerung des
Leistungsverlusts infolge der Erhöhung der Kältemittelgasmenge, die für den Übergang
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
unwirtschaftlich eingesetzt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des oben erwähnten
Verdichters ist das Ventilelement ein Drehventil, welches synchron
mit der Antriebswelle drehbar ist, wobei das Drehventil umfasst:
ein zentrales Loch mit einem geschlossenen Ende und dem anderen,
geöffneten
Ende an einer Endfläche
des Drehventils in konstanter Verbindung mit der Saugkammer, und
ein Verbindungsloch, welches sich von dem einen geschlossenen Ende
des zentralen Lochs in Richtung zu der Außenseite in einer Radialrichtung bis
zu einer Außenumfangsoberfläche des
Drehventils erstreckt und dem sich von der Kurbelkammer erstreckenden
Gasabzugskanal intermittierend erlaubt, mit dem zentralen Loch in
Verbindung zu stehen während
der Rotation des Drehventils.
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Bei
diesem Verdichter mit variabler Förderleistung stellt das Verbindungsloch
intermittierend eine Fluidverbindung bereit zwischen dem sich von der
Kurbelkammer erstreckenden Gasabzugskanal und dem in konstanter
Verbindung mit der Saugkammer stehenden zentralen Loch, während das
Drehventil synchron mit der Antriebswelle rotiert. Daher wird der
eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer und der Saugkammer
bereitstellende Gasabzugskanal intermittierend geöffnet durch
die Rotation des Drehventils in Verbindung mit der Rotation der
Antriebswelle.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn der Zylinderblock eine Mehrzahl von Verbindungskanälen aufweist
zum Bereitstellen einer Fluidverbindung zwischen jeder der Bohrungen
und einer Ventilaufnahmekammer, welche das Drehventil aufnimmt,
und das Drehventil einen Saugführungskanal
aufweist, um dem zentralen Loch eine sequentielle Verbindung mit
den Verbindungskanälen
der Mehrzahl von Bohrungen in dem Saughub zu erlauben, so dass das Drehventil
zusätzlich
als Saugventil fungiert.
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Bei
diesem Verdichter mit variabler Förderleistung weist das Drehventil
zum intermittierenden Bereitstellen einer Fluidverbindung zwischen
der Kurbelkammer und der Saugkammer eine zusätzliche Funktion als Saugventil
auf zum Einführen
von Kältemittelgas
aus der Saugkammer in jede der Bohrungen in dem Saughub. Anders
gesagt: wenn das Drehventil synchron mit der Antriebswelle rotiert, fließt das Kältemittelgas
in der Saugkammer durch das zentrale Loch, den Saugführungskanal
des Drehventils und den Verbindungskanal jeder der Bohrungen in
dem Saughub und wird sequentiell in jede der Bohrungen gesaugt.
Auf diese Weise setzt sich der glatte und stabile Saugeffekt des
Kältemittelgases
in den Bohrungen fort und das Kältemittelgas kann
verdichtet werden. Deshalb wird der Druckverlust dieses Verdichters
extrem klein und es kann ein ausreichender Liefergrad aufrechterhalten
werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des oben erwähnten
Verdichters weist die Antriebswelle eine zentrale Achse auf, wobei
die Endfläche
der Antriebswelle mit einem eingreifenden Vorsprung versehen ist,
der sich parallel zu der zentralen Achse der Antriebswelle in einer
von der zentralen Achse derselben versetzten Position erstreckt, und
wobei das Ventilelement als ein hin- und hergehendes Ventil ausgebildet
ist, welches mit dem eingreifenden Vorsprung gekoppelt ist, um in
einer senkrechten Richtung bezüglich
der zentralen Achse in Verbindung mit der Rotation der Antriebswelle
eine hin- und hergehende Bewegung ausführen zu können, wobei das hin- und hergehende
Ventilelement umfasst: einen Eingriffsbereich mit einem Langloch, wobei
das Langloch eine lange Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zu
der Richtung der Hin- und Herbewegung des hin- und hergehenden Ventilelements
und zu einer Längsrichtung
der Antriebswelle aufweist und in gleitbeweglichem Eingriff mit
dem eingreifenden Vorsprung steht, und ein Verschlussmittel, das
sich integral von dem Eingriffsbereich in Richtung der hin- und
hergehenden Bewegung erstreckt, um den Gasabzugskanal zu schließen, und ein
Durchgangsloch aufweist, welches mit dem Gasabzugskanal intermittierend
in Verbindung steht als Antwort auf die Hin- und Herbewegung des
hin- und hergehenden Ventilelements.
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Bei
diesem Verdichter mit variabler Förderleistung führt bei
rotierender Antriebswelle das hin- und hergehende Ventilelement
gekoppelt mit dem eingreifenden Vorsprung der Antriebswelle eine
hin- und hergehende Bewegung in der senkrechten Richtung bezogen
auf die Antriebswelle aus. Anders gesagt: infolge der Rotation der
Antriebswelle rotiert der an der Endfläche der Antriebswelle in einer
von der zentralen Achse versetzten Position angeordnete eingreifende
Vorsprung um die zentrale Achse. Dabei führt der eingreifende Vorsprung
eine Hin- und Herbewegung in der Längsrichtung entlang des Langlochs
des Eingriffsbereichs im Inneren des Langlochs während der Rotation aus. Dadurch
wirkt die Rotationskraft des eingreifenden Vorsprungs auf den Eingriffsbereich
als eine Kraft, die das hin- und hergehende Ventilelement zu einer
Linearbewegung veranlasst, und als eine Folge davon führt das
hin- und hergehende
Ventilelement eine hin- und hergehende Bewegung in der senkrechten
Richtung senkrecht zu einer Längsachse
der Antriebswelle und der Längsrichtung
des Langlochs aus. Ferner führt
das sich von dem Eingriffsbereich erstreckende Verschlussmittel
eine Hin- und Herbewegung aus, um den Gasabzugskanal zu schließen, und
dadurch öffnet
das an dem Verschlussmittel angeordnete Durchgangsloch den Gasabzugskanal
intermittierend als Antwort auf die Hin- und Herbewegung des hin-
und hergehenden Ventilelements.
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Vorzugsweise
wird das Ausstoßgas
bei einem superkritischen Druck des Kältemittels ausgestoßen.
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Bei
einem Verdichter, der für
eine Kühlvorrichtung
mit superkritischem Zyklus verwendet wird, wobei ein Kältemittelgas
bei einem superkritischen Druck des Kältemittels ausgestoßen wird,
muss wegen des hohen Ausstoßdrucks
die Querschnittsfläche
des Gasabzugskanals kleiner sein. Daher werden das Problem der Verstopfung
durch Fremdstoffe und das Problem der Verminderung der Bearbeitungsgenauigkeit
o.a. noch stärker
ausgeprägt.
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Hierzu
sei angemerkt, dass es aufgrund der bei diesem Verdichter mit variabler
Förderleistung gegebenen
Möglichkeit,
den Gasabzugskanal durch die Wirkung des Ventilelementes intermittierend
zu öffnen,
auch in dem Fall, dass der Verdichter das Ausstoßgas bei dem superkritischen
Druck des Kältemittels
ausstößt, möglich wäre, das
Problem der Verstopfung durch Fremdstoffe und das Problem der Verminderung
der Bearbeitungsgenauigkeit oder anderes zu eliminieren und dabei
zugleich den oben erwähnten
Leistungsverlust zu unterdrücken.
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Vorzugsweise
ist bei der obigen Ausführungsform
des Verdichters mit variabler Förderleistung
das Kältemittel
Kohlendioxid.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
derselben unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung;
es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
eines Verdichters mit variabler Förderleistung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
Querschnitt entlang der Linie II-II von 1 eines
Drehventils des Verdichters gemäß der illustrierten
ersten Ausführungsform;
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie III-III von 1 des Verdichters gemäß der in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform;
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4 einen
Längsschnitt
eines Verdichters mit variabler Förderleistung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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5A bis 5C Darstellungen,
welche den Betrieb des hin- und hergehenden Ventil elements des
Verdichters gemäß der in 4 dargestellten
zweiten Ausführungsform
erläutern,
wobei 5A und 5C Darstellungen
sind, die den Zustand mit geschlossenem Gasabzugskanal illustrieren,
und wobei 5B eine Darstellung ist, die
den Zustand mit geöffnetem
Gasabzugskanal illustriert.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Erste Ausführungsform
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform des Verdichters 1 mit
variabler Förderleistung
wird für eine
Kühlvorrichtung
mit superkritischem Zyklus für die
Fahrzeugklimatisierung verwendet. Eine derartige Kühlvorrichtung
umfasst den Verdichter 1, einen Gaskühler, der als Wärmetauscher
vom Wärmestrahlungstyp
verwendet wird, ein Expansionsventil, welches als Drosselmittel
verwendet wird, einen Verdampfer, der als Wärmetauscher vom Wärmeabsorptionstyp
verwendet wird, und einen Sammler, welcher als Dampf-Flüssigkeits-Abscheider verwendet
wird, wobei diese Komponenten in Serie miteinander verbunden sind,
um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden, worin die Vorrichtung
so arbeitet, dass der Ausstoßdruck
des Verdichters (der höhere
Druck des geschlossenen Kreislaufs) der superkritische Druck des
in dem Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird. Als Kältemittel
wird Kohlendioxid (CO2) verwendet. Ferner
können
neben Kohlendioxid (CO2) Ethylen (C2H4), Diboran (B2H6), Ethan (C2H6), Stickstoffoxid und
dergleichen als Kältemittel
verwendet werden.
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Bei
dem Verdichter 1 ist ein vorderes Gehäuse 11 mit einem vorderen
Ende eines Zylinderblocks 10 gekoppelt. Ein hinteres Gehäuse 13 ist über eine Ventilplatte 12 oder
anderes mit einem hinteren Ende des Zylinderblocks 10 gekoppelt.
In einer Kurbelkammer 14, definiert durch das vordere Gehäuse 11 und den
Zylinderblock 10, ist eine Antriebswelle 15 aufgenommen,
deren eines Ende sich von dem vorderen Gehäuse 11 weg erstreckt
und an einen Anker einer Elektromagnetkupplung, nicht gezeigt, gesichert
ist. Die Antriebswelle 15 ist mittels einer Wellendichtvorrichtung
und eines Radiallagers zwischen dem vorderen Gehäuse 11 und dem Zylinderblock 10 drehbar gehalten.
Der Zylinderblock 10 ist ausgebildet mit sechs Bohrungen 10a–10f an
Positionen, welche die Antriebswelle 15 umgeben. Jede der
Bohrungen 10a bis 10f nimmt jeweils einen Kolben 16 auf.
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In
der Kurbelkammer 14 ist ein Rotor 18 über ein
Drucklager in einem Abstand von dem vorderen Gehäuse 11 so an der Antriebswelle 15 befestigt, dass
er synchron mit der Antriebswelle 15 drehbar ist, und eine
drehbare Taumelscheibe 20 ist hinter dem Rotor 18 über einen
Gelenkmechanismus 19 beweglich gehalten, so dass sie synchron
mit dem Rotor 18 rotieren kann. Ferner ist eine Hülse 21 gleitbeweglich
auf der Umfangsoberfläche
der Antriebswelle 15 in der Kurbelkammer 14 angeordnet,
und die drehbare Taumelscheibe 20 ist an einem von der
Hülse 21 vorspringenden
Drehbolzen 21a so gehalten, dass sie eine Taumelbewegung
ausführen
kann. An der drehbaren Taumelscheibe 20 ist über ein
Drucklager 22 oder dergleichen eine taumelbare Taumelscheibe 23 gehalten,
an der ein Antirotationsstift, nicht gezeigt, der nur in der Axialrichtung
in einer Antirotationsnut 11a des vorderen Gehäuses 11 bewegbar
ist, befestigt ist. Eine Verbindungsstange 24 ist zwischen
der taumelbaren Taumelscheibe 23 und dem jeweiligen Kolben 16 bereitgestellt,
so dass der jeweilige Kolben 16 in den Bohrungen 10a–10f eine Hin-
und Herbewegung ausführen
kann gemäß einem
Neigungswinkel der taumelbaren Taumelscheibe 23 bezogen
auf eine Ebene senkrecht zu einer zentralen Achse der Antriebswelle.
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Eine
Druckfeder 25 ist zwischen der Hülse 21 und einem an
der Antriebswelle 15 befestigten Sicherungsring auf der
Seite des Zylinderblocks 10 bereitgestellt. Durch die Wirkung
der Druckfeder 25 kann die drehbare Taumelscheibe 20 mit
dem Rotor 18 in Anlage zu kommen, wodurch die taumelbare Taumelscheibe 23 im
maximalen Neigungswinkel im Startpunkt gehalten wird. Bei auf minimale
Länge zusammengedrückter Druckfeder 25 kann
die taumelbare Taumelscheibe 23 im minimalen Neigungswinkel
gehalten werden.
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Das
hintere Gehäuse 13 weist
eine Saugkammer 26 auf, die an ihrer hinterseitigen Fläche in der
Mitte offen ist und mit einer Ventilaufnahmekammer 30 des
Zylinderblocks 10, auf die später noch eingegangen wird,
in Verbindung steht. Eine Ausstoßkammer 27 ist im äußeren Bereich
der Saugkammer 26 gebildet. Kompressionskammern, definiert
zwischen den Endflächen
der Kolben 16 und den Bohrungen 10a–10f,
stehen in Verbindung mit der Ausstoßkammer 27 durch die
in der Ventilplatte 12 gebildeten Ausstoßöffnungen 12a.
Die Ausstoßöffnungen 12a können mittels
des Ausstoßventils 28 geöffnet und
geschlossen werden, dessen Öffnungsgrad
durch einen Begrenzer 28a auf der Seite der Ausstoßkammer 27 begrenzt
wird.
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Im
hinteren Teil des Zylinderblocks 10 und im vorderen Teil
des hinteren Gehäuses 12 ist
eine zylindrisch gestaltete Ventilaufnahmekammer 30 gebildet,
die sich koaxial mit der Wellenöffnung
des Zylinderblocks 10 und von dem hinteren Teil des Zylinderblocks 10 zu
dem vorderen Teil des hinteren Gehäuses 12 durch die
Ventilplatte 12, das Ausstoßventil 28 und den
Begrenzer 28a erstreckt. An der hinteren Endfläche des
Zylinderblocks 10 sind radial sechs Verbindungskanäle 31 gebildet,
die jeweils den oberen Teil der Bohrungen 10a–10f mit
der Ventilaufnahmekammer 30 verbinden (siehe 3).
Die Vorderseite der Ventilaufnahmekammer 30 steht mit dem Gasabzugskanal 32 in
Verbindung, der sich zu der vorderen Endfläche des Zylinderblocks 10 erstreckt und
zu der Kurbelkammer 14 hin öffnet, während die Hinterseite der Ventilaufnahmekammer 30 mit
der Saugkammer 26 des hinteren Gehäuses 13 in Verbindung
steht. Das heißt,
die Kurbelkammer 14 steht über die Ventilaufnahmekammer 30 und
den Gasabzugskanal 32 mit der Saugkammer 26 in
Verbindung. Die Querschnittsfläche
des sich zwischen der Ventilaufnahmekammer 30 und der Kurbelkammer 14 erstreckenden
Gasabzugskanals 32 ist so ausgebildet, dass Verstopfung
des Kanals durch Schlamm oder andere Fremdstoffe verhindert und
die Bearbeitungsgenauigkeit und Produktivität gewährleistet werden. Ferner sind
die Querschnittsflächen
eines zentralen Lochs 42 und eines Verbindungslochs 43 in
einem Drehventil 40, auf das spä ter noch eingegangen wird, gleich
oder größer als
die Querschnittsfläche
des Gasabzugskanals 32.
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Die
Ventilaufnahmekammer 30 nimmt ein zylindrisch gestaltetes
Drehventil 40 auf, welches über eine Hülse 41 mit dem hinteren
Ende der Antriebswelle 15 verbunden ist, die sich durch
die Wellenöffnung
des Zylinderblocks 10 zu dem vorderen Ende der Ventilaufnahmekammer 30 erstreckt,
und welches bezüglich
der Antriebswelle 15 nicht drehbar ist. Das Drehventil 40 ist
versehen mit einem zentralen Loch 42, dessen eines Ende
(das Ende zur Vorderseite des Verdichters 1) geschlossen
ist und dessen anderes Ende (das Ende zur Hinterseite des Verdichters 1)
an der hinteren Endfläche
des Drehventils 40 offen ist und welhes in konstanter Verbindung
mit der Saugkammer 26 steht, einem Verbindungsloch 43, welches
sich in der Radialrichtung von dem einen Ende des zentralen Lochs 42 auswärts zu der
Außenumfangsoberfläche des
Drehventils 40 erstreckt und welches dem sich von der Kurbelkammer 14 erstreckenden
Gasabzugskanal intermittierend erlaubt, mit dem zentralen Loch 42 in
Verbindung zu stehen während
der Rotation des Drehventils 40, und einer Saugführungsnut 44,
welche mit dem anderen Ende des zentralen Lochs 42 verbunden
und zu einer begrenzten Umfangsregion H hin ausgedehnt ist, welche
mit den Verbindungskanälen 31 ausgerichtet
ist, so dass die Saugführungsnut 44 eine
sequentielle Verbindung zwischen dem zentralen Loch 42 und den
Verbindungskanälen 31 der
Bohrungen 10a bis 10f in dem Saughub bereitstellt
(siehe 2 und 3). Während die Saugführungsnut 44 den
Verbindungskanälen 31 der
Bohrungen 10a bis 10f in dem Saughub gegenübersteht,
steht die Saugkammer 26 mit den Bohrungen 10a bis 10f durch
das zentrale Loch 42 in Verbindung, und das Drehventil 40 fungiert
als Saugventil.
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Die
Saugkammer 26 ist über
eine Leitung mit dem Sammler verbunden, der Teil des Kältekreislaufs
der Kühlvorrichtung
ist, und die Ausstoßkammer 27 ist über eine
Leitung mit dem Gaskühler
verbunden, der Teil des Kältekreislaufs
der Kühlvorrichung
ist.
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Ferner
ist ein Gaszuführkanal 33 durch
den Zylinderblock 10, die Ventilplatte 12, das
Ausstoßventil 28,
den Begrenzer 28a und das hintere Gehäuse 13 gebildet, der
die Kurbelkammer 14 mit der Ausstoßkammer 27 ver bindet.
In dem hinteren Gehäuse 13 ist
ein Förderleistungssteuerventil 34 in
der Mitte des Gaszuführkanals 33 bereitgestellt.
Wenn der Saugdruck unter einen voreingestellten Druck fällt, wird
der Gaszuführkanal 33 mittels
des Förderleistungssteuerventils 34 geöffnet, und
das Hochdruckausstoßgas
wird von der Ausstoßkammer 27 in
die Kurbelkammer 14 zugeführt. Daher sind mittels des Förderleistungssteuerventils 30 die
Länge des
Hubs des Kolbens 16 und der Neigungswinkel der taumelbaren
Taumelscheibe 23 anpassbar veränderlich, um die Leistung des
Verdichters 1 gemäß der Differenz zwischen
dem Saugkammerdruck und dem Kurbelkammerdruck zu steuern, basierend
auf der thermischen Last.
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Der
Verdichter 1 gemäß vorliegender
Erfindung ist wie im Vorstehenden beschrieben ausgebildet, und wenn
die Antriebswelle 15 rotiert, so dass die Rotationsbewegungen
des Rotors 18 und der Taumelscheibe 20 in eine
Rückwärts- und
Vorwärtstaumelbewegung
der taumelbaren Taumelscheibe 23 umgewandelt werden, um
die Mehrzahl von verschiedenen Kolben 16 über die
Verbindungsstange 24 sequentiell zu verschiedenen Zeiten
zu einer Hin- und Herbewegung zu veranlassen, wird das mit der Antriebswelle 15 verbundene
Drehventil 40 ebenfalls rotieren, synchron mit der Bewegung
der Kolben 16. Anders gesagt, wenn einer der Kolben 16 in
den Saughub eintritt, passiert die Wandfläche 44a an der Vorderseite
der Saugführungsnut 44 – bezogen
auf die in 3 gezeigte Rotationsrichtung – in einer
Richtung, in der der Verbindungskanal 31 einer Bohrung
(z.B. 10b), die bis dahin geschlossen war, geöffnet wird,
und als eine Folge davon wird das Kältemittelgas aus der Saugkammer 26 durch
das zentrale Loch 42, die Saugführungsnut 44 des Drehventils 40 und
den Verbindungskanal 31 zu der Bohrung 10b gesaugt.
Wenn der Saughub endet, passiert die Wandfläche 44b an der Hinterseite
der Saugführungsnut 44 in
einer Richtung, in der der Verbindungskanal 31 geschlossen
wird, um die Ansaugung des Kältemittels
zu der Bohrung 10a zu beenden. Während des Ausstoßhubs, in
dem der Kolben 15 in der Bohrung 10b vorwärts bewegt
wird, hält
die Außenumfangsoberfläche des
Drehventils 40 den Verbindungskanal 31 der Bohrung 10b im
geschlossenen Zustand, und das verdichtete Kältemittelgas drückt das
Ausstoßventil 28 auf
und wird über
die Ausstoßöffnung 12a zu
der Ausstoßkammer 27 ausgestoßen.
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Auf
diese Weise wird, während
sich der Kolben 16 im Saughub befindet als Folge der Rotation des
Antriebswelle 15, das Kältemittelgas
aus der Saugkammer 26 durch das zentrale Loch 42;
die Saugführungsnut 44 des
Drehventils 40 und den Verbindungskanal 31 zu
der Bohrung gesaugt, wodurch der glatte und stabile Saugeffekt des
Kältemittelgases
fortgesetzt wird und das Kältemittelgas
komprimiert werden kann. Daher ist der Druckverlust dieses Verdichters 1 außerordentlich
klein und es kann ein ausreichender Liefergrad aufrechterhalten
werden.
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Bei
einem Kohlendioxid als Kältemittel
verwendenden Verdichter 1 gemäß vorliegender Ausführungsform
macht es – da
der Ausstoßdruck
hoch ist, wie oben beschrieben – die
Querschnittsfläche des
Gasabzugskanals 32 schwer, den Leistungsverlust, der durch
das Zuführen
von Ausstoßgas
zu der Kurbelkammer 14 zum Zeitpunkt des Übergangs
von Betrieb mit großer
Leistung auf Betrieb mit kleiner Leistung verursacht wird, zu unterdrücken und gleichzeitig
das Problem der Verstopfung durch Fremdstoffe sowie das Problem
der Verminderung der Bearbeitungsgenauigkeit oder anderes zu beseitigen.
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Diesbezüglich kann
bei diesem Verdichter 1 der Gasabzugskanal 32,
der eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer 14 und
der Saugkammer 26 bereitstellt, durch das in Verbindung
mit der Rotation der Antriebswelle betriebene Drehventil 40 intermittierend
geöffnet
werden. Anders gesagt: wenn das Drehventil 40 synchron
mit der Antriebswelle 15 rotiert, ist das zentrale Loch 42,
welches in konstanter Verbindung mit der Saugkammer 26 steht, über das
Durchgangsloch 43 in intermittierender Verbindung mit dem
sich von Kurbelkammer 14 erstreckenden Gasabzugskanal 32.
Im Einzelnen kommt das Durchgangsloch 43 des Drehventils 40 jedes
Mal, wenn sich die Antriebswelle 15 einmal dreht, einmal
mit dem Gasabzugskanal 32 in Verbindung. Somit wird der
Gasabzugskanal 32 intermittierend geöffnet und das Kältemittelgas
strömt
intermittierend aus der Kurbelkammer 14 durch den Gasabzugskanal 32,
das Durchgangsloch 43 und das zentrale Loch 42 zu
der Saugkammer 26. Daher wird die Menge des Kältemittelgases,
die von der Kurbelkammer 14 über den Gasabzugskanal 32 und
anderes zu der Saugkammer 26 strömt, um genau die Menge an Kältemittelgas
vermindert, die durch den Gasabzugskanal 32 fließen kann,
sofern er nicht durch das Drehventil 40 geschlossen ist,
und wird eine Menge, die als Antwort auf die Drehzahl der Antriebswelle 15 bestimmt
wird. Selbst wenn also die Querschnittsfläche des Gasabzugskanals 32 so
weit vergrößert wird, dass
Verstopfungen des Kanals durch Schlamm und andere Fremdstoffe verhindert
und die Bearbeitungsgenauigkeit und Produktivität betreffend den Gasabzugskanal
gewährleistet
werden können,
kann die Erhöhung
der Gasmenge, die der Kurbelkammer 14 zum Zeitpunkt des Übergangs
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
zugeführt
wird, um genau die Menge der Verminderung der Menge an Kältemittelgas,
die zu der Saugkammer zurückfließt, unterdrückt werden und
damit auch die Vergrößerung des
Leistungsverlusts infolge der Erhöhung der Kältemittelgasmenge, die für den Übergang
auf Betrieb mit kleiner Förderleistung
unwirtschaftlich eingesetzt wird. Es ist also selbst in dem Falle,
dass der Verdichter 1 das Kältemittelgas bei einem superkritischen
Druck ausstößt, möglich, das
Problem der Verstopfung durch Fremdstoffe und das Problem in Zusammenhang
mit der Bearbeitungsgenauigkeit des Gasabzugskanals oder anderes
zu beheben und dabei zugleich den oben erwähnten Leistungsverlust zu unterdrücken.
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Zweite Ausführungsform
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Ein
Verdichter 1' mit
variabler Förderleistung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wie in 4 gezeigt verwendet ein hin- und hergehendes Ventilelement 50 an
Stelle des Drehventils 40 als das Ventilelement, welches
in Verbindung mit der Rotation der Antriebswelle 15 betrieben
wird.
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Bei
dem Verdichter 1' stehen
die Kompressionskammern, welche definiert sind durch die Endflächen der
Kolben 16 und die Bohrungen 10a bis 10f, in
Verbindung mit der Saugkammer 26 durch in der Ventilplatte 12 gebildete
Saugöffnungen 12b.
Die Saugöffnungen 12b sind
so ausgebildet, dass sie mittels eines Saugventils 29 vom
Reed-Typ, welches zwischen Ventilplatte 12 und Zylinderblock 10 geschaltet
ist, geöffnet
und geschlossen werden können.
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Am
hinteren Ende des Zylinderblocks 10 ist eine Ventilaufnahmekammer 30' so ausgebildet, dass
sie mit der Wellenöffnung
des Zylinderblocks 10 verbunden ist. Die Ventilaufnahmekammer 30' umfasst eine
kreisförmige
Kam mer 30a, die koaxial mit der Antriebswelle 15 ausgebildet
ist, und eine rechteckige Kammer 30b, die sich kontinuierlich
von der kreisförmigen
Kammer 30a nach unten erstreckt. An der rechteckigen Kammer 30b ist
ein Gasabzugskanal 32 geöffnet, der eine Fluidverbindung
zwischen der Kurbelkammer 14 und der Saugkammer 26 bereitstellt
(siehe 5A–5C).
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Die
Ventilaufnahmekammer 30' nimmt
das hin- und hergehende Ventilelement 50 auf, welches mit
der Antriebswelle 15 so gekoppelt ist, dass es eine hin-
und hergehende Bewegung in einer senkrechten Richtung bezogen auf
die Antriebswelle 15 (Vertikalrichtung in 4 und 5A–5C)
ausführen
kann. Im Einzelnen ist die hintere Endfläche der Antriebswelle 15,
die sich durch die Wellenöffnung
des Zylinderblocks 10 zu dem vorderen Ende der Ventilaufnahmekammer 30' erstreckt,
mit einem eingreifenden Vorsprung 15a versehen, der sich
parallel zu der zentralen Achse der Antriebswelle 15 an einer
Position mit dem größten Versatz
von der zentralen Achse (innerhalb eines Bereichs, wo der eingreifende
Vorsprung 15a nicht in der Radialrichtung von der Außenumfangsoberfläche der
Antriebswelle 15 nach außen vorsteht) erstreckt. Das
hintere Ende des Vorsprungs 15a erstreckt sich zu dem hinteren Ende
der Ventilaufnahmekammer 30'.
Andererseits umfasst das hin- und hergehende Ventilelement 50 einen
elliptisch geformten Eingriffsbereich 51 mit einem Langloch 51a,
welches sich in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Hin-
und Herbewegung (Vertikalrichtung in 4 und 5A–5C) und
zu der Längsrichtung
der Antriebswelle 15 erstreckt und in gleitbeweglichem
Eingriff mit dem eingreifenden Vorsprung 15a steht, und
ein rechteckiges Verschlussmittel 52, das sich integral
von dem Eingriffsbereich 51 in der Richtung der hin- und
hergehenden Bewegung erstreckt, um den Gasabzugskanal 32 zu
schließen,
und ein Durchgangsloch 52a aufweist, welches mit dem Gasabzugskanal 32 intermittierend
in Verbindung steht während
der oben erwähnten
Hin- und Herbewegung.
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Die
Länge der
langen Achse des Eingriffsbereichs 51 des hin- und hergehenden
Ventilelementes 50 ist etwas kleiner als der Durchmesser
der kreisförmigen
Kammer 30a der Ventilaufnahmekammer 30', so dass das
hin- und hergehende Ventilelement 50 eine Hin- und Herbewegung
in der oben erwähnten Hin-
und Herbewegungsrichtung in der Ventilaufnahmekammer 30' ausführen kann.
Das Verschlussmittel 52 des hin- und hergehenden Ventilelementes 50 kann
in der rechteckigen Kammer 30b der Ventilaufnahmekammer 30' gleiten. Ferner
ist die longitudinale Länge
des Langlochs 51a des hin- und hergehenden Ventilelementes 50 im
Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser
der Antriebswelle 15, und die Breite des Langlochs 51a ist
so ausgebildet, dass der eingreifende Vorsprung 15a in
dem Langloch 51a gleiten kann. Ferner ist der Durchmesser
des Durchgangslochs 52a des hin- und hergehenden Ventilelementes 50 im
Wesentlichen gleich dem des Gasabzugskanals 32. Der Gasabzugskanal 32 öffnet an
einer Position, wo er durch das Verschlussmittel 52 des hin-
und hergehenden Ventilelementes 50 geschlossen ist, die
verschieden ist von derjenigen, in der er mit dem Durchgangsloch 52a des
hin- und hergehenden Ventilelementes 52 in Verbindung steht.
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Der
Rest der Konfiguration ist ähnlich
derjenigen der ersten Ausführungsform.
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Bei
dem Verdichter 1' mit
variabler Förderleistung
führt bei
rotierender Antriebswelle 15 das hin- und hergehende Ventilelement 50 gekoppelt
mit dem eingreifenden Vorsprung 15a der Antriebswelle 15 eine
hin- und hergehende Bewegung in der senkrechten Richtung bezogen
auf die Antriebswelle 15 aus. Anders gesagt: infolge der
Rotation der Antriebswelle 15 rotiert der an der hinteren
Endfläche der
Antriebswelle 15 in einer von deren zentralen Achse versetzten
Position angeordnete eingreifende Vorsprung 15a um die
zentrale Achse. Dabei führt der
eingreifende Vorsprung 15a eine Hin- und Herbewegung in
der Längsrichtung
in dem Langloch 51a des Eingriffsbereichs 51 des
hin- und hergehenden Ventilelementes 50 während der
Rotation aus. Dadurch wirkt die Rotationskraft des eingreifenden
Vorsprungs 15a auf den Eingriffsbereich 51 als
eine Kraft, die das hin- und hergehende Ventilelement 50 zu
einer Linearbewegung veranlasst, und als eine Folge davon führt das
hin- und hergehende Ventilelement 50 eine hin- und hergehende
Bewegung in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Langlochs 51a und
zu der Axialrichtung der Antriebswelle 15 aus. Durch die
Hin- und Herbewegung des Verschlussmittels 52, welches
sich von dem Eingriffsbereich 51 erstreckt, um den Gasabzugskanal 32 zu schließen, öffnet das
an dem Verschlussmittel 52 ange ordnete Durchgangsloch 52a den
Gasabzugskanal 32 intermittierend während der Hin- und Herbewegung
des Verschlussmittels 52.
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Im
Einzelnen sind in dem Zustand von 5A der
eingreifende Vorsprung 15a und das hin- und hergehende
Ventilelement 50 in der höchsten Position. Hierbei ist
der eingreifende Vorsprung 15a im Zentrum des Langlochs 51a positioniert,
und das Durchgangsloch 52b ist oberhalb des Gasabzugskanals 32 positioniert,
der durch das Verschlussmittel 52 geschlossen ist. Wenn
die Antriebswelle 15 dann eine Viertelumdrehung ausführt und
den Zustand von 5B erreicht, rotiert auch der
eingreifende Vorsprung 15a synchron dazu um eine Viertelumdrehung,
während
er in dem Langloch 51a gleitet und sich zu einem Ende des
Langlochs 51a bewegt. Das hin- und hergehende Ventilelement 50 bewegt
sich also abwärts
in 5A, und das Durchgangsloch 52a des Verschlussmittels 52 kommt
mit dem Gasabzugskanal 32 in Verbindung. Wenn dann die
Antriebswelle 15 um eine Viertelumdrehung rotiert und den
Zustand von 5C erreicht, rotiert der eingreifende
Vorsprung 15a ebenfalls synchron dazu um eine Viertelumdrehung,
während
er in dem Langloch 51a gleitet, und kehrt zu dem Zentrum
des Langlochs 51a zurück.
Wenn sich also das hin- und hergehende Ventilelement 50 weiter
abwärts
bewegt in 5B, verschiebt sich das Durchgangsloch 52a des
Verschlussmittels 52 von dem Gasabzugskanal 32 nach unten
und der Gasabzugskanal 32 wird durch das Verschlussmittel 52 geschlossen.
Wenn also die Antriebswelle 15 ausgehend von dem Zustand
von 5C eine halbe Umdrehung ausführt, durchläuft das Durchgangsloch 52a den
Zustand, in dem es in Verbindung mit dem Gasabzugskanal 32 steht
und kehrt erneut zurück
in den Zustand von 5A. Auf diese Weise kommuniziert
der Gasabzugskanal 32 mit dem Durchgangsloch 52a zweimal
pro Umdrehung der Antriebswelle 15. Somit wird der Gasabzugskanal 32 intermittierend
geöffnet
und das Kältemittelgas
strömt
intermittierend aus der Kurbelkammer 14 durch den Gasabzugskanal 32 und
das Durchgangsloch 52a zu der Saugkammer 26.
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Der
Verdichter 1' gemäß vorliegender
Ausführungsform
zeigt also ähnliche
Wirkungen und Effekte wie die erste Ausführungsform.
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Die
obigen Ausführungsformen
wurden erläutert
unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Anwendung auf eine Kühlvorrichtung
mit superkritischem Zyklus und mit Kohlendioxid als Kältemittel; es
versteht sich jedoch, dass der Verdichter gemäß vorliegender Erfindung auch
auf eine Kühlvorrichtung mit
subkritischem Zyklus und mit einem Kältemittel vom FCKW-Typ oder
einem anderen Typ von Kältemittel
Anwendung finden kann.
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Ferner
bezieht sich die vorliegende Erfindung zwar auf einen Verdichter
mit variabler Förderleistung;
nichts hindert jedoch die Anwendung des Ventilelementes gemäß vorliegender
Erfindung auf einen Gasabzugskanal eines Verdichters mit unveränderlicher
Förderleistung.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, die zum Zwecke der Illustration ausgewählt wurden;
es wird erkennbar sein, das für
den Fachmann zahlreiche Modifikationen möglich sind, ohne das grundlegende
Konzept und den Bereich der Erfindung zu verlassen.