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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter zum Komprimieren
von Kältemitteln
durch Antreiben eines Kolbens mit einer Taumelscheibe und betrifft
insbesondere Verdichter, welche in Klimatisierungssystemen verwendet
werden.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Ein
bekannter Kolbentyp-Verdichter, der mittels einer Taumelscheibe
betrieben wird, ist in der
japanischen
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-189897 beschrieben. Ein
derartiger Verdichter umfasst einen Kolben mit einem integrierten
Kolbenkopf und Eingriffsbereich. Der Kolbenkopf ist in einer in
dem Gehäuse
des Verdichters gebildeten Zylinderbohrung so angeordnet, dass der
Kolbenkopf darin eine Hin- und Herbewegung ausführen kann und der Eingriffsbereich
mit einem Paar von Schuhen, welche mit einem Paar von Schuhsitzen
verbunden sind, in Eingriff kommt. Das Paar von Schuhen umfasst
einen vorderen und einen hinteren Schuh, und eine Taumelscheibe
ist zwischen dem Paar von Schuhen angeordnet. Die Taumelscheibe
wird von einer drehbar gelagerten Antriebswelle gehalten und rotiert
zusammen mit der Antriebswelle mittels eines an der Antriebswelle
montierten Rotors. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe verändert sich
mit Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Ro tationsachse der Taumelscheibe
gemäß dem Kühlbedarf
bei in Betrieb befindlichem Verdichter. Wenn die Taumelscheibe rotiert, führt der
Kolbenkopf in der Zylinderbohrung über die Wechselwirkung zwischen
der Taumelscheibe und dem Eingriffsbereich des Kolbens eine Hin-
und Herbewegung aus, wodurch ein innerhalb der Zylinderbohrung befindliches
Kältemittel
komprimiert wird. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der
Antriebswelle in eine lineare Bewegung umgewandelt, die den Kolben
antreibt. Ein alternativer Taumelscheibenverdichter ist in der
DE-A-195 27 647 offenbart.
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Eine
Kolbenrotationskraft wird dadurch erzeugt, dass der Kolben in Richtung
der Rotationsrichtung der Taumelscheibe gezogen wird infolge Reibung,
welche aus einer Kompressionsreaktionskraft des Kolbens zwischen
Taumelscheibe und Schuh resultiert, und Reibung zwischen Schuh und
Kolben. Mit zunehmender Kompressionsreaktionskraft nimmt auch die
Rotationskraft auf den Kolben zu. Deshalb ist bei dem bekannten
Verdichter ein Drehstoppbereich an dem Eingriffsbereich vorgesehen,
der mit der Innenwandoberfläche
des Gehäuses
in Kontakt kommt, um den Kolben an einer Rotation um seine Zentrumsachse
zu hindern.
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Als
eine Folge kommt der Drehstoppbereich mit der Innenwandoberfläche des
Gehäuses
kräftig in
Kontakt während
des Betriebs des Verdichters, wodurch vorzeitige Abnutzung des Drehstoppbereichs und
des Gehäuses
verursacht wird. Insbesondere ist bei Einsatz eines Kältemittels,
das auf einen hohen Druck verdichtet werden muss, um geeignete Kühlung bereitzustellen,
wie dies z. B. bei Kohlendioxid notwendig ist, der Ausstoßdruck des
Verdichters erhöht
gegenüber
dem Fall, in dem ein Niederdruckkältemittel, z. B. ein Fluorkohlenwasserstoff,
verwendet wird. Somit kann die Abnutzung an diesen einander kontaktierenden
Teilen beträchtlich
erhöht
sein bei Verwendung eines bekannten Verdichteraufbaus mit einem
Hochkompressionskältemittel.
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Ferner
erzeugt der Kolben eine Kompressionsreaktionskraft, welche eine
Kraft auf die Seiten des Kolbenkopfs ausübt. Diese Seitenkraft wächst linear
mit zunehmender Kompressionsreaktionskraft und resultiert in Reibung
zwischen dem Zylinderkopf und der inneren Oberfläche der Zylinderbohrung. Wenn
ein Hochkompressionskältemittel
in dem bekannten Verdichter verwendet wird, kann die Ausstoßleistung
des Verdichters verringert werden, weil Kohlendioxid eine höhere Kompressibilität und eine höhere Dichte
aufweist als z. B. Fluorkohlenwasserstoff. Anders gesagt, der Durchmesser
des Kolbenkopfs kann verringert werden, wenn ein Hochkompressionskältemittel
wie Kohlendioxid an Stelle eines Niederkompressionskältemittels
eingesetzt wird. Wenn jedoch tatsächlich ein Hochkompressionskältemittel
verwendet wird, nimmt die auf den Kolbenkopf wirkende Seitenkraft
zu, weil die Kompressionsreaktionskraft des Kolbens ebenfalls zunimmt,
verglichen mit dem Fall, in dem ein Fluorkohlenwasserstoff verwendet
wird. Wenn also bei Verwendung eines Hochkompressionskältemittels
der Kolbendurchmesser verringert ist, wird die vorzeitige Abnutzung
an dem Kolbenkopf oder der Zylinderbohrung noch weiter verstärkt durch
die Kombination einer Zunahme der Seitenkraft und einer Verringerung
der Kolbenkopffläche,
die den Kältemitteldruck
aufnimmt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der Erfindung besteht also darin, verbesserte Verdichter zu
lehren, die in der Lage sind, Kolben- und Zylinderbohrungsabnutzung
zu verringern und somit die Dauerhaftigkeit der Verdichter zu verbessern.
Diese Verdichter sind besonders geeignet, wenn ein Hochkompressionskältemittel,
z. B. Kohlendioxid, in dem Verdichter eingesetzt wird.
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Vorzugsweise
wird ein Verdichter gelehrt, der eine an dem Kolben angebrachte
Struktur aufweist, welche Rotation des Kolbenkopfs verhindert. Diese
Struktur weist ferner vorzugsweise einen Oberflächenbereich auf, der größer ist
als der Bereich des Kolbens, mit dem die Verdichterzylinderbohrung
während
des Betriebs in Kontakt kommt. Daher kann diese zusätzliche
Struktur den auf den Kolbenkopf ausgeübten Flächendruck pro Flächeneinheit
verringern und vorzeitige Abnutzung des Verdichters verringern oder
verhindern. Diese Struktur ist besonders geeignet zur Verwendung
mit Hochkompressionskältemitteln,
z. B. Kohlendioxid, und kann sowohl dazu dienen, die Dauerhaftigkeit
des Verdichters zu verbessern, als auch die Größe des Verdichters zu reduzieren.
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich leicht aus der Lektüre
der nachfolgenden Detailbeschreibung in Verbindung mit der beigefügten zeichnerischen
Darstellung und den Ansprüchen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt
einen Verdichter gemäß einer ersten
repräsentativen
Ausführungsform,
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2 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
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3 zeigt
einen Schnitt entlang de Linie III-III in 1,
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4 zeigt
einen Kolben für
einen Verdichter,
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5 zeigt
ebenfalls einen Kolben für
einen Verdichter,
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6 zeigt
eine Passführung
für einen
Eingriffsbereich,
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7 zeigt
einen Verdichter gemäß einer zweiten
repräsentativen
Ausführungsform,
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8 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in 7,
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9 zeigt
einen Kolben des Verdichters gemäß der zweiten
repräsentativen
Ausführungsform,
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10 zeigt
eine Passführung
gemäß der zweiten
repräsentativen
Ausführungsform,
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11 zeigt
einen Verdichter gemäß einer dritten
repräsentativen
Ausführungsform,
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12 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie XII-XII in 11, und
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13 zeigt
einen Kolben des Verdichters gemäß der dritten
repräsentativen
Ausführungsform.
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DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
einer repräsentativen
Ausgestaltung wird ein Verdichter gelehrt, der mindestens einen
Kolben mit einem Kolbenkopf und einem Eingriffsbereich aufweist.
Vorzugsweise ist der Kolbenkopf einer in dem Gehäuse des Verdichters gebildeten
Zylinderbohrung angepasst und in dieselbe eingeführt. Vorzugsweise weist der
Eingriffsbereich eine Kolbenführung
und ein Paar von Schuhsitzen auf. Ein Paar von Schuhen kann an dem
Paar von Schuhsitzen angeordnet sein zum Kontaktieren einer Taumelscheibe, welche
um eine Achse rotiert, die parallel zu der langen Achse der Antriebswelle
ist. Die Taumelscheibe ist vorzugsweise so konstruiert, dass der
Winkel der Taumelscheibe sich gemäß dem Kühlbedarf ändert. Die Rotation der Taumelscheibe
wird auf den Eingriffsbereich des Kolbenkopfs übertragen und der Kolben führt eine
Hin- und Herbewegung
aus. Als eine Folge dieser Hin- und Herbewegung verdichtet der Kolbenkopf
ein innerhalb der Zylinderbohrung befindliches Kältemittel.
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Eine
Kolbenführung
ist vorzugsweise an der äußeren Oberfläche des
Eingriffsbereichs angeordnet. Die Kolbenführung erstreckt sich über den Schuhsitz
und ist vorzugsweise größer als
der Schuhsitz. Die Kolbenführung
führt zusammen
mit dem hin- und hergehenden Kolbenkopf eine Hin- und Herbewegung
gegen die Innenwandoberfläche
aus.
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Werden
rotatorische Kräfte
auf den Kolben über
die Schuhe ausgeübt
als eine Folge der Rotation der Taumelscheibe, so kommt die Kolbenführung mit
der Innenwandoberfläche
des Gehäuses
in Kontakt, wodurch Rotation des Kolbens verhindert wird. In diesem
Falle ist aufgrund der Tatsache, dass die Kolbenführung einen
größeren Oberflächenbereich aufweist
als der Schuhsitz, die Fläche,
welche ein von der Taumelscheibe übertragenes Rotationsmoment
aufnimmt, erhöht.
Anders gesagt, der Flächendruck
pro Flächeneinheit,
welcher Druck auf die Kolbenführung
ausgeübt
wird, ist verringert, weil der Flächendruck über eine größere Fläche verteilt wird als bei bekannten
Verdichterausgestaltungen.
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Weil
die Kolbenführung
eine Rotation des Kolbens effektiv verhindert und die Kolbenführung zur
Verteilung der auf den Kolben wirkenden Seitenkraft beiträgt, kann
die Abnutzung an der Innenwandoberfläche des Gehäuses und an der Kolbenführung effektiv
verringert werden, auch wenn das auf den Kolben wirkende Rotationsmoment
der Taumelscheibe relativ groß ist.
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Der
Verdichter kann ferner so konstruiert sein, dass die Kolbenführung eine
Hin- und Herbewegung entlang der Innenwandoberfläche des Gehäuses über eine gekrümmte Führungsfläche ausführt. In
diesem Falle ist der gekrümmte
Bereich vorzugsweise ring- oder bogenförmig. Die Führungsfläche kann der Innenwandoberfläche des
Gehäuses
entweder ohne jeglichen Abstand zwischen der Führungsfläche und der Innenwandoberfläche oder
mit einem sehr kleinen Abstand gegenüberliegen. Ferner kann eine
Zentrumsachse des Bogens der Führungsfläche mit
einer Rotationsachse der Antriebswelle zusammenfallen.
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Bei
einem zweiten repräsentativen
Beispiel kann der Verdichter wieder mindestens einen Kolben mit
einem Kolbenkopf und einem Eingriffsbereich umfassen, wobei der
Kolbenkopf innerhalb der in dem Gehäuse des Verdichters gebildeten
Zylinderbohrung angeordnet ist. Der Eingriffsbereich kann einen
Schuhsitz mit einem inkorporierten Schuh aufweisen, und der Schuh
kann mit einer Taumelscheibe in Eingriff stehen, die um eine Rotationsachse
der Antriebswelle rotiert. Vorzugsweise rotiert die Taumelscheibe
in einem Neigungswinkel zu einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse,
und der Kolben führt
eine Hin- und Herbewegung korrespondierend zu der Rotation der Taumelscheibe
via Schuh und Schuhsitz aus. Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens
komprimiert der Kolbenkopf in der Zylinderbohrung ein Kältemittel.
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Jedoch
ist in der ersten repräsentativen
Ausführungsform
eine Führungsbohrung
benachbart zu der Zylinderbohrung gebildet und weist einen größeren Durchmesser
auf als die Zylinderbohrung. Ferner umfasst der Eingriffsbereich
eine Passführung
mit einer Passfläche,
welche die Führungsbohrung
komplementiert, so dass die Passführung eine Hin- und Herbewegung
innerhalb der Führungsbohrung
ausführen
kann. Bei einem solchen Verdichter tragen sowohl der Kolbenkopf
als auch die Passführung
die als eine Folge der Kompressionsreaktionskraft des Kolbens erzeugte
Seitenkraft. Weil die Passführung
einen größeren Durchmesser
als die Zylinderbohrung aufweist, wird die auf den Kolben wirkende
Seitenkraft auf die Passführung
ausgeübt,
die eine größere Druckaufnahmefläche aufweist
als der Kolbenkopf. Daher ist es möglich, die Abnutzung, welche
durch die relativ große
Seitenkraft, die auf den Kolbenkopf wirkt, verursacht wird, zu verringern.
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Weiter:
weil die Passführung
einen größeren Durchmesser
aufweist als der Kolbenkopf, ist der Kontaktbereich mit der Führungsbohrung
erhöht. Dieses
Merkmal trägt
somit dazu bei, den Kolben an einer Rotation zu hindern, wo durch
die Abnutzung in dem Kontaktbereich zwischen der Innenwandoberfläche des
Gehäuses
und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfs effektiv verringert wird. Die Passfläche kann z. B. zylindrisch
oder bogenförmig
sein. Ferner kann die Zentrumsachse des Passführungsbereichs exzentrisch
mit Bezug auf das axiale Zentrum des Kolbenkopfs sein. Ferner kann
die Oberfläche
der Passführung
der Innenwandoberfläche
der Führungsbohrung
mit einem maßlichen
Abstand (Toleranz) zwischen der Passfläche und der Führungsbohrung
gegenüberliegen.
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Vorzugsweise
verwenden die Verdichter gemäß den vorliegenden
Lehren ein Hochkompressionskältemittel,
z. B. Kohlendioxid. Mehr bevorzugt werden derartige Verdichter in
einem Klimatisierungssystem verwendet, welches einen Kühl- und/oder
Heizkreislauf aufweist.
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Jedes
der im Vorstehenden und im Folgenden offenbarten zusätzlichen
Merkmale und Verfahrensschritte kann für sich allein oder in Kombination mit
anderen Merkmalen und Verfahrensschritten verwendet werden, um einen
verbesserten Verdichter und Verfahren zur Herstellung derartiger
Verdichter bereitzustellen. Repräsentative
Beispiele der vorliegenden Erfindung, welche Beispiele viele dieser
zusätzlichen
Merkmale und Verfahrensschritte in Kombination verwenden, werden
nun im Detail unter Bezugnahme auf die zeichnerische Darstellung
beschrieben. Diese Detailbeschreibung ist lediglich dazu gedacht,
einen Fachmann weitere Details zur Umsetzung bevorzugter Aspekte
der vorliegenden Lehren zu lehren, und ist nicht dazu gedacht, den
Bereich der Erfindung zu begrenzen.
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Erste detaillierte repräsentative
Ausführungsform
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Es
wird eine Beschreibung mit Bezug auf den Verdichter einer ersten
detaillierten repräsentativen
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf 1 bis 5 gegeben. 1 ist
ein Längsschnitt
eines Taumelscheibentyp-Verdichters 1 mit variabler Leistung,
wobei ein Hochkompressions- und Hochdichte-Kältemittel,
z. B. Kohlendioxid, verwendet wird. Ein Gehäuse 1a des Verdichters 1 kann
umfassen: einen Zylinderblock 2, ein vorderes Gehäuse 5,
welches mit dem vorderen Ende des Zylinderblocks 2 verbunden
und daran befestigt ist, und ein hinteres Gehäuse 20, welches mit
dem hinteren Ende des Zylin derblocks 2 verbunden und daran
befestigt ist. Eine Ventilplatte 10 kann zwischen dem hinteren
Gehäuse 20 und
dem Zylinderblock 2 angeordnet sein.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Antriebswelle 30 in dem Zylinderblock 2 und
in dem vorderen Gehäuse 5 und
kann von Lagern 31 und 32 drehbar gehalten sein.
Die Antriebswelle 30 kann verbunden sein mit einem in einem
Fahrzeug eingebauten (nicht gezeigten) Motor oder einer anderen
Antriebsquelle, um der Antriebswelle 30 über eine
elektromagnetische Kupplung (nicht gezeigt) Antriebsleistung bereitzustellen.
Ein Rotationsstützkörper 33 und
eine Taumelscheibe 40 sind an der Antriebswelle 30 in
einer Kurbelkammer 6 des vorderen Gehäuses 5 bereitgestellt.
Vorzugsweise ist der Rotationsstützkörper 33 so
mit der Antriebswelle 30 verbunden, dass der Rotationsstützkörper 33 und
die Antriebswelle 30 gemeinsam rotieren. Vorzugsweise steht
ein Stützarm 34,
der ein Führungsloch 35 aufweist,
mit Bezug auf die Taumelscheibe 40 vom Umfangsrand des
Rotationsstützkörpers 33 vor.
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Der
Neigungswinkel der Taumelscheibe 40 mit Bezug auf die Antriebswelle 30 kann
während
des Betriebs des Verdichters gemäß dem Kühlbedarf
variieren. Wenn die Taumelscheibe 40 ihren Neigungswinkel ändert, kann
sie in der Axialrichtung entlang der Antriebswelle 30 gleiten.
Ein Verbindungsstück 41 kann
an einem Endbereich der Taumelscheibe 40 integral gesichert
oder fixiert sein. Vorzugsweise steht ein Führungsstift 42, der
einen kugeligen Passbereich 42a aufweist, vom geneigten
Ende des Verbindungsstücks 41 vor.
Ein Passbereich 42a des Führungsstiftes 42 ist
dem Führungsloch 35 des Stützarms 34 angepasst
und darin eingeführt.
In diesem Zustand wird ein Drehmoment der Antriebswelle 30 über den
Rotationsstützkörper 33 auf
die Taumelscheibe 40 übertragen.
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Vorzugsweise
ist der Zylinderblock 2 mit einer Mehrzahl von Zylinderbohrungen 3 versehen, wobei
ein Kolben 50 in jeder der Zylinderbohrungen 3 so
angeordnet ist, dass der Kolben 50 eine Hin- und Herbewegung
darin ausführen
kann. Demgemäß definieren
jede Zylinderbohrung 3 und der Kolben 50 eine
Kompressionskammer 3a.
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An
einer Öffnung
der respektiven Zylinderbohrungen 3 benachbart zu der Kurbelkammer 6 ist eine
Führungsbohrung 4 konzentrisch
mit der Zylinderboh rung 3 ausgebildet. Diese Führungsbohrung 4 ist
benachbart zu der Zylinderbohrung 3 angeordnet und kommuniziert
mit derselben und weist einen größeren Durchmesser
auf als die Zylinderbohrung 3.
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Wie
in 2 bis 5 gezeigt, ist der Kolben vorzugsweise
integral geformt mit einem Kolbenkopf 51 und einem Eingriffsbereich 52.
Der Kolbenkopf 51 kann einen kreisförmigen Abschnitt aufweisen,
der innerhalb der Zylinderbohrung 3 angeordnet ist. Vorzugsweise
steht der Eingriffsbereich 52 von der Basis des Kolbenkopfes 51 in
einer zu der Kurbelkammer 6 hin gerichteten Richtung vor.
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Eine
Taumelscheibenverbindungsnut 53, in die der Umfangsrand
der Taumelscheibe 40 eingeführt wird, kann in dem Eingriffsbereich 52 enthalten sein
und weist vorzugsweise eine konkave Gestalt auf. Der vordere und
der hintere Schuhsitz 54 weisen vorzugsweise konkave kugelige
Bereiche auf, wobei das Paar von Schuhen 60 über kugelige
Verbindungsstücke
mit den Schuhsitzen 54 in Eingriff ist, um mit dem zwischen
dem Paar von Schuhsitzen 54 befindlichen Umfangsrand der
Taumelscheibe 40 zusammenzuwirken. Demgemäß wird die
Rotationsbewegung der Taumelscheibe 40 in eine lineare
Hin- und Herbewegung
umgewandelt durch die Wechselwirkung mit dem Paar von Schuhen 60,
um den Kolben 50 anzutreiben, wodurch der Kolbenkopf 51 zu einer
Hin- und Herbewegung innerhalb der Zylinderbohrung 3 veranlasst
wird. Im Einzelnen ist das Paar von Schuhen 60 mit der
Taumelscheibe 40 in Eingriff. Wenn die Taumelscheibe 40 mit
der Antriebswelle 30 integral dreht, wie in 1 gezeigt,
führt der
Kolben 50 eine Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung 3 aus.
Durch diese Hin- und Herbewegung verdichtet der Kolbenkopf 51 in
der Zylinderbohrung 3 ein Kältemittel.
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Eine
Kolbenführung 56 kann
in dem Eingriffsbereich 52 gebildet sein und weist vorzugsweise einen
Oberflächenbereich
auf, der größer ist
als das Paar von Schuhsitzen 54. Vorzugsweise steht die Kolbenführung 56 in
Richtung der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 vor und weist einen Oberflächenbereich
auf, der sich über
das Paar von Schuhsitzen 54 und den Kolbenkopf 51 erstreckt.
Die Oberfläche
der Kolbenführung 56 kann
als eine Führungsflä che 57 zum
Führen
des Kolbens 50 entlang der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 dienen.
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Bei
der ersten detaillierten repräsentativen Ausführungsform
erstreckt sich die Kolbenführung 56 vorzugsweise
von einem Ende des Eingriffsbereichs 52 zu dem anderen
Ende des Eingriffsbereichs 52. Eine Passführung 58 mit
einer Passfläche 59 ist
benachbart zu dem Kolbenkopf 51 angeordnet. Diese Passführung korrespondiert
zu der Oberfläche
der Führungsbohrung 4.
Insbesondere kann die Passführung 58 der
Kolbenführung 56 so
gestaltet sein, dass sie einen größeren Durchmesser aufweist
als der Kolbenkopf 51 und dass sie konzentrisch mit demselben
ist. Ferner kann die Passführung 58 einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen und kann im Wesentlichen den gleichen Durchmesser haben
wie die Führungsbohrung 4.
Ferner kann die Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 eine
bogenförmige Gestalt
aufweisen, die mit dem axialen Zentrum der Antriebswelle 30 konzentrisch
ist. Ferner kann die Führungsfläche 57 im
Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 und kann der Innenwandoberfläche 7 mit
einem maßlichen
Abstand gegenüberliegen.
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Wie
in 1 gezeigt, ist das hintere Gehäuse 20 vorzugsweise
in eine Saugkammer 21 und eine Ausstoßkammer 22 geteilt.
Die Saugkammer 21 kann mit der Kompressionskammer 3a über eine Saugventilanordnung 11 der
Ventilplatte 10 kommunizieren, und die Ausstoßkammer 22 kann
mit der Kompressionskammer 3a über eine Ausstoßventilanordnung 12 kommunizieren.
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Der
Hub des Kolbens 50 kann gemäß der Druckdifferenz zwischen
dem Druck in der Kurbelkammer 6 und dem Druck in der Kompressionskammer 3a verändert werden.
Das heißt,
der Neigungswinkel der Taumelscheibe 40 kann gemäß der Druckdifferenz
verändert
werden, und die Änderung
des Neigungswinkels der Taumelscheibe 40 definiert den Hub
des Kolbens 50, der die Ausstoßleistung bestimmt. Ein Leistungsvolumensteuerventil
(nicht gezeigt) kann den Druck in der Kurbelkammer 6 steuern.
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Ein
Stoppring 45 kann an der Antriebswelle 30 montiert
sein, um die minimale Neigungswinkelposition der Taumelscheibe 40 zu
definieren. Ferner vorzugsweise ist zwischen der Taumelscheibe 40 und
dem Rotationsstützkörper 33 eine
Feder 43 an der Antriebswelle 30 angebracht und
um dieselbe gewunden, um die Taumelscheibe 40 in Richtung
der minimalen Neigungswinkelposition vorzuspannen.
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Bei
einem derartigen Verdichter 1 wird die Taumelscheibe 40 – über den
Rotationsstützkörper 33 – zusammen
mit der Antriebswelle 30 rotieren. Vorzugsweise ist ein
Fahrzeugmotor die Antriebsquelle und treibt die Antriebswelle 30 an,
wobei seine Antriebsleistung mittels einer elektromagnetischen Kupplung übertragen
wird. Mehr bevorzugt wird ein solcher Verdichter in einem Fahrzeugklimatisierungs- oder
-heizungssystem verwendet.
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Wenn
die Rotation der Taumelscheibe 40 den Kolben 50 über den
vorderen und hinteren Schuh 60 zu einer Hin- und Herbewegung
veranlasst, wird das Kältemittel über die
Saugventilanordnung 11 der Ventilplatte 10 aus
der Saugkammer 21 in die Kompressionskammer 3a der
Zylinderbohrung 3 gesaugt. Vorzugsweise wird bei diesem
Verdichter Kohlendioxid verwendet, und das Kohlendioxid wird in der
Kompressionskammer 3a auf einen Hochdruckzustand (ca. das
100-fache des Atmosphärendrucks) verdichtet.
Nach der Verdichtung wird das Kältemittel über die
Ausstoßventilanordnung 12 der
Ventilplatte 10 in die Ausstoßkammer 22 ausgestoßen. Das
Kältemittel
wird aus der Ausstoßkammer 22 in
einen externen Kältemittelkreislauf
abgeleitet und in einem Kondensator (nicht gezeigt) gekühlt.
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Kohlendioxid
weist eine relativ niedrige kritische Temperatur auf (31°C), und ein
unter einer hohen Temperaturbedingung betriebenes Klimatisierungssystem
kann die kritische Temperatur von Kohlendioxid, z. B. während des
Sommers, überschreiten.
Daher kann das Kohlendioxid in dem Kondensator eine superkritische
Temperatur erreichen. In diesem Falle fließt das gekühlte Kohlendioxid-Kältemittel
in ein Expansionsventil (nicht gezeigt), um den hohen Druck des
Kältemittels
aufrecht zu erhalten.
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In
dem Expansionsventil wird der Druck des Kohlendioxids verringert
(auf ca. das 35-fache des Atmosphärendrucks), so dass dieses
in einen Gas/Flüssig-Mischzustand übergeht.
Das Kohlendioxid fließt
dann in einen Verdampfer, wo es verdampft wird, und wird dann in
die Saugkammer 21 zurückgeführt.
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Wie
oben beschrieben beträgt
der Ausstoßdruck
des Kohlendioxid-Kältemittels
ca. das 100-fache des Atmosphärendrucks
(bei Fluorkohlenwasserstoffen ca. das 15-fache des Atmosphärendrucks),
der Verdampfungsdruck beträgt
ca. das 35-fache des Atmosphärendrucks
(bei Fluorkohlenwasserstoffen ca. das 2-fache des Atmosphärendrucks).
Daher kann die Ausstoßleistung
des Verdichters gegenüber
bekannten Ausgestaltungen verringert werden, weil Kohlendioxid in
einem Hochdruck- und Hochdichtezustand verwendet werden kann. Als
eine Folge kann der Durchmesser des Kolbenkopfs 51 des
Kolbens 50 gegenüber
bekannten Ausgestaltungen ebenfalls verringert werden.
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Bei
der Hin- und Herbewegung des Kolbens 50 wird die auf den
Kolben 50 wirkende Seitenkraft, welche Kraft durch eine
Kompressionsreaktionskraft des Kältemittels
verursacht wird, von dem gemeinsamen Kontaktbereich zwischen (1)
der Führungsbohrung 4 und
der Passführung 58 und
(2) der inneren Oberfläche
der Zylinderbohrung 3 und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfs 51 getragen. Wenn also der Flächendruck
des gemeinsamen Kontaktbereichs zwischen der inneren Oberfläche der
Zylinderbohrung 3 und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfes 51 verringert werden kann, kann die Abnutzung
an diesem gemeinsamen Kontaktbereich verringert werden und die Dauerhaftigkeit
kann verbessert werden.
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Weiter:
wenn die Taumelscheibe 40 rotiert, wird ein Rotationsmoment
auf den Kolben 50 ausgeübt
in der Richtung, in welcher der Kolben 50 um die Axiallinie
rotiert, infolge der Reibung zwischen dem Paar von Schuhen 60 und
dem Paar von Schuhsitzen 54. In einem solchen Falle kann
aufgrund dessen, dass die Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 mit
der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 in Kontakt kommt, der Kolben 50 an
einer Drehung gehindert werden. Insbesondere, wie in 4 und 5 gezeigt,
kann aufgrund dessen, dass sich die Führungsfläche 57 der Kolbenführung 56 vorzugsweise über das
Paar von Schuhsitzen 54 erstreckt und mit der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 in Kontakt kommt, die Abnutzung an dem gemeinsamen
Kontaktbereich zwischen der Innenwandoberfläche 7 der Kurbelkammer 6 und
der Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 verringert
oder verhindert werden, auch wenn ein großes Rotationsmoment auf den
Kolben 50 ausgeübt
wird. Wenn ferner der Abstand zwischen der Führungsfläche 57 und der In nenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 relativ klein ist (oder eliminiert ist),
so ist es möglich,
die Seitenkraft außer
durch den gemeinsamen Kontaktbereich zwischen der inneren Oberfläche der
Zylinderbohrung 3 und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfs 51 auch durch die Führungsfläche 57 zu tragen.
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Wie
oben beschrieben kann die Passführung 58 eine
Passfläche 59 aufweisen,
die kreisförmig
ist und zu der inneren Oberfläche
der Führungsbohrung 4 korrespondiert.
Jedoch kann die Passfläche 59 der Passführung 58 auch
bogenförmig
sein, wie in 6 gezeigt. Wenn eine Differenz
existiert in dem Betrag der Seitenkraft, die auf den Kolben 50 während der Hin-
und Herbewegung des Kolbens 50 ausgeübt wird, kann ein bogenförmiger Bereich
der Passführung 58 an
der Innenwandoberfläche
der Führungsbohrung 4 bereitgestellt
werden, derart, dass er zu einer Seite des Kolbens 50 korrespondiert,
wo die Seitenkraft stark ausgeübt
wird. In diesem Falle kann die Abnutzung an dem gemeinsamen Kontaktbereich zwischen
der inneren Oberfläche
der Zylinderbohrung 3 und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfs 51 effektiv verringert werden.
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Zweite detaillierte repräsentative
Ausführungsform
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Eine
zweite detaillierte repräsentative
Ausführungsform
eines Verdichters wird unter Bezugnahme auf 7 bis 9 beschrieben.
Wie in 8 gezeigt, kann bei dem Verdichter 1b die
Passführung 58 der
Kolbenführung 56,
welche an dem Eingriffsbereich 52 des Kolbens 50 angeordnet
ist, einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Passführung 58 größer als
der Kolbenkopf 51. Das axiale Zentrum B des Passführungsabschnitts 58 ist
von dem axialen Zentrum A des Kolbenkopfs 51 in Richtung
zum axialen Zentrum der Antriebswelle 30 hin um eine Distanz
L versetzt. Die Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 (ohne
den Passführungsabschnitt 58)
kann ebenfalls bogenförmig
sein, derart, dass ihr axiales Zentrum gleich dem axialen Zentrum
der Antriebswelle 30 ist. Die Führungsfläche 57 kann der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 mit einem maßlichen Abstand gegenüberliegen.
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Weil
die Konstruktion der ersten detaillierten repräsentativen Ausführungsform
im Wesentlichen zu der Konstruktion der zweiten detaillierten repräsentativen Ausführungsform
korrespondiert, werden gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
und für
Komponenten, die den beiden Ausführungsformen
gemein sind, wird auf eine Beschreibung verzichtet.
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Der
Verdichter 1b arbeitet im Wesentlichen auf ähnliche
Weise, um die gleichen Effekte zu erzielen wie die erste detaillierte
repräsentative
Ausführungsform.
Zusätzlich
kann die Baugröße des Gehäuses 1a um
einen Betrag reduziert werden, der äquivalent zu dem Betrag ist,
um den das axiale Zentrum B des Passführungsabschnitts 58 der
Kolbenführung 56 von
dem axialen Zentrum des Kolbenkopfes 51 in Richtung zu
dem axialen Zentrum der Antriebswelle 30 hin versetzt ist
(Distanz L). Ferner kann der Passabschnitt zwischen der Führungsbohrung 4 und
der Passführung 58 auch
als ein Drehstoppbereich des Kolbens 50 fungieren. Daher
kann der Passabschnitt eine Rotation des Kolbens 50 über einen
weiten Bereich, der sich über
das Paar von Schuhsitzen 54 erstreckt, durch die Führungsfläche 57 und
die Passführung 58 verhindern.
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Wie
in 10 gezeigt, kann die Passfläche 59 der Passführung 58,
deren axiales Zentrum B um eine Distanz L von dem axialen Zentrum
A des Kolbenkopfs 51 versetzt ist, eine bogenförmige Gestalt aufweisen.
Der bogenförmige
Bereich der Passführung 58 kann
auf der Seite des Kolbens 50 angeordnet sein, wo die Seitenkraft
stark ausgeübt
wird (verglichen mit anderen Bereichen), um die Abnutzung des gemeinsamen
Kontaktbereichs zwischen der inneren Oberfläche der Zylinderbohrung 3 und
der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfes 51 zu verhindern oder mindestens signifikant
zu reduzieren.
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Dritte detaillierte repräsentative
Ausführungsform
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Ein
Verdichter 1c gemäß der dritten
repräsentativen
Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf 11 bis 13 beschrieben.
Bei dem Verdichter 1c kann eine Kolbenführung 56 der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 gegenüberliegend an
dem Eingriffsbereich 52 des Kolbens 50 angeordnet
sein und einen Oberflächenbereich
aufweisen, der größer ist
als das Paar von Schuhsitzen 54 und sich über beide
Schuhsitze 54 und den Kolbenkopf 51 erstreckt.
Die Kolbenführung 56 kann
eine Länge aufweisen,
die sich über
beide Schuhsitze 54 erstreckt, derart, dass sie sich von
einem Ende zu dem anderen Ende des Eingriffsbereichs 52 erstreckt.
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Die
Erstreckungsfläche
dient als eine Führungsfläche 57 zum
Führen
der Kolbenführung 56 entlang
der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 während
des Betriebs des Verdichters. Das heißt, die Führungsfläche 57 der Kolbenführung 56 weist
eine bogenförmige
Oberfläche
auf mit einem axialen Zentrum, welches gleich dem axialen Zentrum
der Antriebswelle 30 ist. Vorzugsweise liegt die Kolbenführung 56 der
Innenwandoberfläche 7 der Kurbelkammer 6 gegenüber und
weist im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 auf.
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Weil
die Konstruktion der ersten detaillierten repräsentativen Ausführungsform
im Wesentlichen auch zu der Konstruktion der dritten detaillierten
repräsentativen
Ausführungsform
korrespondiert, werden gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet und für
Komponenten, die den beiden Ausführungsformen
gemein sind, wird auf eine Beschreibung verzichtet.
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Somit
wird bei der dritten repräsentativen Ausführungsform
die auf den Kolben 50 wirkende Seitenkraft, welche durch
die Kompressionsreaktionskraft des Kältemittels während der
Hin- und Herbewegung des Kolbens 50 erzeugt wird, von (1)
dem gemeinsamen Flächenkontaktbereich
zwischen der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 und der Führungsfläche 57 der Kolbenführung 56 und
(2) dem gemeinsamen Kontaktbereich zwischen der inneren Oberfläche der
Zylinderbohrung 3 und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfes 51 getragen. Weil der Flächendruck des gemeinsamen Kontaktbereichs
zwischen der inneren Oberfläche
der Zylinderbohrung 3 und der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfs 51 verringert ist, ist auch die Abnutzung des
gemeinsamen Kontaktbereichs verringert, woraus eine verbesserte
Dauerhaftigkeit resultiert.
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Weiter:
wenn die Taumelscheibe 40 rotiert, wird ein Rotationsmoment
auf den Kolben 50 ausgeübt
in einer Richtung, entlang welcher der Kolben 50 um seine
Axiallinie rotiert, infolge der Reibung zwischen dem Paar von Schuhen 60 und
dem Paar von Schuhsitzen 54. Dabei kann aufgrund dessen,
dass die Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 mit
der Innenwandoberfläche 7 der
Kur belkammer 6 in Kontakt kommt, der Kolben 50 an
einer Drehung gehindert werden. Insbesondere wenn die Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 eine
Länge aufweist,
die sich über
das Paar von Schuhsitzen 54 erstreckt, und mit der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 in Kontakt kommt, kann die Abnutzung des
gemeinsamen Kontaktbereichs zwischen der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 und der Führungsfläche 57 der Kolbenführung 56 vermieden
werden, auch wenn ein großes
Rotationsmoment auf den Kolben 50 ausgeübt wird.
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Die
japanischen Patent-Offenlegungsschriften
Nr. 7-180658 und Nr.
7-189897 beschreiben
z. B. einen Verdichter mit einem an dem Eingriffsbereich des Kolbens
angeordneten Drehstoppbereich. Wenn bei einer solchen Verdichterausgestaltung
Kohlendioxid als Kältemittel
eingesetzt wird, erfährt
der Drehstoppbereich des Eingriffsbereichs eine erhebliche Abnutzung
durch das große
Rotationsmoment, welches auf den Kolben ausgeübt wird, und es kommt zum Auftreten
von anormalem Geräusch,
wie z. B. Klopfgeräuschen.
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Demgegenüber kann
bei der dritten repräsentativen
Ausführungsform
die Abnutzung des gemeinsamen Kontaktbereichs zwischen der Innenwandoberfläche 7 der
Kurbelkammer 6 und der Führungsfläche 57 der Kolbenführung 56 verhindert
werden, auch wenn ein großes
Rotationsmoment auf den Kolben 50 ausgeübt wird, weil die Führungsfläche 57 der
Kolbenführung 56 eine
Oberfläche
aufweist, die sich über
das Paar von Schuhsitzen 54 erstreckt. Ferner kann die
Führungsfläche 57 als
ein Drehstoppbereich verwendet werden. In diesem Falle wird die
Passlänge
zwischen dem Kolbenkopf 51 und der Zylinderbohrung 3 länger gemacht,
um die Seitenkraft zu tragen, und der Flächendruck pro Flächeneinheit
kann verringert werden.