Hubkolbenkompressor mit einer Kolbenführung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor, insbesondere zur Verdichtung von Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf mit einem Kompressorgehäuse, in dem wenigstens ein Kompressionszylinder angeordnet ist, der auf einer ersten Seite über eine Zylinderkopfanordnung begrenzt ist und in dem ■ein Kolben translatorisch bewegbar gelagert ist, wobei der Kolben mittels eines Kraftübertragungselements, insbesondere mittels einer Taumel- oder Schwenkscheibe im Bereich eines Kolbenfußes ansteuerbar ist und wobei dem Kolben ein Kolbenrücken zugeordnet ist, an dem der Kolben im Betrieb abstützbar gestaltet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstig herstellbaren Hubkolbenkompressor der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine Rotationsbewegung des Kolbens und insbesondere ein Klappern des Kolbens zuverlässig vermieden ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Hubkolbenkompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei einem derartigen Hubkolbenkompressor ist dem Kolben eine Gleitschiene zugeordnet, die in ein Gehäuseteil des Kompressorgehäuses einsetzbar oder einge-

setzt ist und die sich in etwa parallel zur Kolbenachse erstreckt und in radialer Richtung und/oder quer zur Kolbenachse und/oder quer zur Antriebsachse des Hubkolbenkompressors einen Abstand zum Kompressorgehäuse aufweist. Die Gleitschiene ist hierzu als vom Kompressorgehäuse unabhängiges, separates Bauelement ausgeführt und weist bevorzugt eine ebene Gleitfläche auf, der im Bereich des Kolbenrückens eine korrespondierende Kolbengleitfläche zugeordnet ist. Die Gleitfläche der Gleitschiene und die Kolbengleitfläche sind parallel zueinander angeordnet und dienen als einseitig wirkendes Gleitlager, über das Kräfte in Richtung des Umfangs des bevorzugt kreiszylindrisch ausgeführten Kompressorgehäuses übertragbar sind, wobei bevorzugt sowohl die Kolbengleitfläche als auch die Gleitfläche der Gleitschiene mit einem radialen Abstand zum Kompressorgehäuse quer zur Kolbenachse und/oder quer zur Antriebsachse des Kraftübertragungselements ausgeführt sind. Eine Lagerung der Gleitschiene am Kompressorgehäuse erfolgt bevorzugt über eine federnde Halterung und/oder über eine sich in Richtung der Kolbenachse erstreckende Halterung. Die letztgenannte Halterung kann einstückig sowohl mit einem Teil des Kompressorgehäuses als auch einstückig mit der Gleitschiene ausgeführt sein.

In Ausgestaltung der Erfindung sind dem Kolben zwei Gleitschienen zugeordnet, die wenigstens einen Abschnitt des Kolbenrückens umgreifen. Beide Gleitschienen weisen je eine Gleitfläche auf, wobei jeder Gleitfläche eine korrespondierende Kolbengleitfläche zugeordnet ist. Die Gleitflächen der Gleitschienen sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet, alternativ weisen sie einen spitzen Winkel auf. Mit Hilfe der zwei Gleitschienen lässt sich der Kolben in zwei Richtungen gegen unerwünschte Rotationen sichern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine im Bereich des Kolbenrückens angeordnete Nase vorgesehen, die im Betrieb an einer Gleitschiene entlang gleitet. Die Nase lässt sich derart dimensionieren, dass ein Optimum mit möglichst geringen Reibungskräften sowie ausreichender Führungseigenschaft sowie geringer Masse des Kolbens erzielbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Gleitschienen, insbesondere Gleitschienen benachbarter Kolben miteinander verbunden oder einstückig ausgeführt. In bevorzugter Weise dient somit eine Gleitschiene zur Abstützung zweier benachbarter Kolben, was sich insbesondere bei Verwendung mehrerer, auf einer gemeinsamen Kreislinie angeordneter Kolben als vorteilhaft erweist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mehreren Kolben ein gemeinsamer, sich in ümfangsrichtung entlang der Innenseite des Kompressorgehäuses erstreckender Käfig zugeordnet, an dem mehrere Gleitschienen festgelegt sind. Ein derartiger Käfig dient in bevorzugter Weise zur gleichzeitigen Führung aller Kolben des Kompressors, wobei sich ein weitgehender Kräfteausgleich in Umfangsrichtung ergibt. Der Käfig ist in bevorzugter Weise einteilig ausgeführt und in das Kompressorgehäuse eingesetzt, wobei der Käfig an einem Oberteil des Kompressorgehäuses und/oder an einem Unterteil des Kompressorgehäuses abgestützt und/oder festgelegt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Käfig aus einem metallischen Blechhalbzeug hergestellt, wobei der Werkstoff des Käfigs ähnlich dem Werkstoff der Kolben insbesondere in Form einer Aluminiumlegierung gewählt. Auf diese Weise sind

mehrere Gleitschienen durch Biegen von an dem Blechhalbzeug vorgesehenen Laschen herstellbar. Weiter bevorzugt ist es, die Gleitschienen aus demselben Werkstoff wie die Kolben herzustellen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Käfig und/oder einzelne Gleitschienen an einem Oberteil des Kompressorgehäuses insbesondere an einer Zylinderkopfanordnung festgelegt und weisen insbesondere einen Abstand zu einem Unterteil des Kompressorgehäuses auf. Bevorzugt ist eine einstückige Ausführung wenigstens einer Gleitschiene mit einer von einem Gehäuseunterteil des Kompressorgehäuses abnehmbaren Zylinderkopfanordnung vorgesehen, wobei das Gehäuseunterteil im wesentlichen zylindrisch ausgeführt ist und die Kolben im Bereich eines Triebraumes umschließt.

Weitere Merkmale sowie Merkmalskombinationen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen dargestellt sind.

Hierzu zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung einen Längsschnitt durch einen ersten Hubkolbenkompressor,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den ersten Hubkolbenkom- pressor gemäß Fig. 1 in Richtung der Linie II-II,

Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung einen zweiten Hubkolbenkompressor,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den zweiten Hubkolbenkompressor gemäß Fig. 3 entlang der Linie IV-IV und

Fig. 5 in einer perspektivischen Darstellung ein Gehäuseteil eines dritten Hubkolbenkompressors.

Ein erfindungsgemäßer Hubkolbenkompressor 1 umfasst in allgemein bekannter Weise ein mehrteiliges Kompressorgehäuse 2, welches im Wesentlichen aus einem Oberteil 2a sowie einem Unterteil 2b besteht. Im Oberteil 2a des Kompressorgehäuses ist eine Mehrzahl von Kompressionszylindern 3 im Kreis um eine gemeinsame Achse 2c (Antriebsachse) herum angeordnet. Auf einer ersten Seite ist das Oberteil 2a in nicht näher dargestellter Weise mit Hilfe einer Zylinderkopfanordnung 4 abgeschlossen. In der Zylinderkopfanordnung 4 sind insbesondere mehrere Einlass- und Auslassventile positioniert, über die dem Hubkolbenkompressor 1 Kältemittel zu- und abführbar ist. Auf einer zweiten Seite schließt sich das Unterteil 2b an das Oberteil 2a an, wobei in dem Unterteil 2b der so genannte Triebraum 2d gebildet ist, in dem eine Antriebswelle gelagert ist, die ein nicht näher dargestelltes Kraftübertragungselement in Form einer Schwenkscheibe antreibt.

In den Kompressionszylindern 3 ist jeweils ein Kolben translatorisch verschiebbar gelagert. Ein Kolben 5 umfasst im Wesentlichen einen kreiszylindrischen Kolbenkopf 5a, einen Kolbenfuß 5b sowie einen Kolbenrücken 5c. Ein Kolben ist in allgemein bekannter Weise ausführbar, so dass auf die Details seiner Gestaltung sowie seiner Funktion nicht näher eingegangen werden muss.

Die auf der gemeinsamen Antriebswelle gelagerte, als Kraftübertragungselement dienende Schwenkscheibe greift über Gleitschuhe an dem Kolbenfuß 5b jedes Kolbens an und setzt eine Rotationsbewegung der Antriebswelle in die Translationsbewegung der Kolben 5 um. Hierzu ist die Schwenkscheibe mit variablem Winkel geneigt zur Antriebsachse angeordnet, wodurch sich u.a. auf die Kolben 5 einwirkende Kippkräfte und Drehmomente ergeben.

Den Kolben 5 ist ein Käfig 7 zugeordnet, der eine im wesentlichen kreiszylindrische Grundform aufweist mit einem Durchmesser, welcher geringfügig kleiner ausgeführt ist als der Innendurchmesser des Kompressorgehäuses 2, 2b im Bereich des Triebraums 2d. Der Käfig 7 umfasst im Wesentlichen ein ringförmiges Band 7a, welches in bevorzugter Weise mit geringem radialem Abstand zum Unterteil 2b des Kompressorgehäuses 2 in dieses eingesetzt ist. An mehreren, einzelnen Befestigungspunkten ist der Käfig 7 über einstückig mit dem Käfig ausgeführte, geringfügig federnde oder steife Halterungen 6 am Oberteil 2a festgelegt. Vorteilhafterweise ist der Käfig 7 mit geringer Masse leicht federnd ausgeführt. Ergänzend kann der Käfig über weitere Halterungen an dem Unterteil 2b abgestützt sein. Der Käfig ist in bevorzugter Weise aus einem metallischen Blechhalbzeug, insbesondere aus einem Lochblech, einem Gitter oder einer Folie hergestellt.

Pro Kolben sind an dem Käfig 7 zwei Gleitschienen 8 vorgesehen. Die Gleitschienen 8 sind in vorteilhafter Weise als vom Käfig 7 abragende Laschen ausgeführt. Die Gleitschienen 8 und der Käfig 7 sind bevorzugt einstückig hergestellt, wobei die Laschen in einfacher Weise aus dem Material des -Käfigs heraus-

gebogen sind. Als Werkstoff ist bevorzugt derselbe Werkstoff gewählt, aus dem die Kolben 5 beziehungsweise deren Kolbenrücken 5c hergestellt sind. In Frage kommen insbesondere Aluminiumknet- oder -gusslegierungen oder alternativ Eisen-, Nickel-, Magnesium— oder Titanlegierungen.

Wie sich aus Fig. 2 entnehmen lässt, ist an dem Kolben 5 im Bereich des Kolbenrückens 5c eine Nase 5d vorgesehen, die zwei in Richtung des ümfangs des Kompressorgehäuses 2 weisende Kolbengleitflächen 5e aufweist. Die Kolbengleitflächen 5e sind parallel zu jeweils korrespondierenden Gleitflächen 8a der Gleitschienen 8 orientiert. Somit umgreifen die zwei Gleitschienen 8 die Nase 5d mit geringem Spiel, so dass sich eine Abstützung des Kolbens 5 quer zur Richtung der translatorischen Bewegung und folglich eine effektive Vermeidung einer Rotation des Kolbens 5 um seine Achse ergibt.

In den Fig. 3 und 4 ist das Gehäuseoberteil 2a' eines zweiten erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors V schematisch dargestellt.

In dem Oberteil 2a' des Kompressorgehäuses, welches insbesondere als Zylinderkopfanordnung ausgeführt sein kann, ist wiederum eine Mehrzahl von Kompressionszylindern 3' im Kreis um eine gemeinsame Achse 2c' herum angeordnet. In den Kompressionszylindern 3' ist jeweils ein Kolben 5' translatorisch verschiebbar gelagert. Zur Vereinfachung ist in den Fig. 3 und 4 lediglich ein Kolben dargestellt. Ein Kolben 5' umfasst wiederum einen kreiszylindrischen Kolbenkopf 5a' , einen Kolbenfuß 5b' sowie einen Kolbenrücken 5c' . Ein Antrieb der Kolben 5' erfolgt wiederum über ein Kraftübertragungselement, welches am Kolbenfuß 5b' angreift und eine Translationsbewe-

gung der Kolben parallel zur Hauptachse 2c' des Kompressors 1' erzwingt. Nicht dargestellt ist ein in etwa zylindrisches oder topfförmiges Gehäuse-Unterteil, das die Kolben sowie einen Triebraum ringförmig umschließt. Gehäuse-Unterteil und Gehäuse-Oberteil 2a' sind im Bereich ihrer Stirnseiten bündig aufeinander aufgesetzt.

Den Kolben 5' sind jeweils zwei quaderförmige Gleitschienen 8' mit bevorzugt rechteckigem Querschnitt zugeordnet, die den jeweiligen Kolbenrücken 5c' an zwei einander gegenüberliegenden Kolbengleitflächen 5e' umgreifen. Die Gleitschienen sind bevorzugt einstückig mit dem Gehäuse-Oberteil ausgeführt oder an diesem festgelegt, so dass die Gleitschienen am Gehäuse-Oberteil gegeneinander fixiert sind und mit Hilfe des Gehäuse-Oberteils ins Gehäuse-Unterteil einsetzbar sind. Die Gleitschienen weisen im fertig montierten Zustand ebenso wie die Kolben 5' in einer Richtung quer zur Hauptachse 2c' des Kompressors 1', d.h. insbesondere in radialer Richtung einen Abstand zu dem sie umgebenden Gehäuse-Unterteil des Kompressors auf. Hierdurch werden auf einfach realisierbare Weise Rotationen der Kolben 5' effektiv vermieden und zugleich eine übertragung von Vibrationen an das Kompressorgehäuse 2' bzw. insbesondere an das Gehäuse-Unterteil reduziert.

Zur Erzielung einer besonders reibungsarmen Führung des Kolbens 5c' sind an den Gleitschienen 8' einander paarweise gegenüberliegende Gleitflächen 8a' vorgesehen, die mit den Kolbengleitflächen 5e' korrespondieren. Die Gleitschienen 8' sind weitgehend formsteif ausgebildet und in bevorzugter Weise einstückig mit dem Oberteil 2a' und insbesondere aus einer Leichtmetall-Legierung oder einem Stahl ausgeführt, so dass eine Bewegung der Kolben in Umfangsrichtung sicher begrenzt

wird. Bevorzugt sind die Gleitschienen 8' einstückig mit den Kolbenführungen bzw. Kolbenbuchsen ausgeführt.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Gleitschienen 8' aus einem reibungsarmen Kunststoff, beispielsweise aus Teflon hergestellt und formschlüssig am Gehäuse-Oberteil 2a' fixiert. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Gleitflächen 8a' und/oder die Kolbengleitflächen 5e' mit einem reibungsmindernden überzug versehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel weisen die Gleitflächen 8a' und die Kolbengleitflächen 5e' korrespondierende Oberflächenstrukturen auf, über die eine zusätzliche Führung der Kolben in radialer Richtung erreichbar ist. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse-Oberteil mit Versteifungs- und/oder Wärmeübertragungsrippen versehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist zwischen Gehäuse-Oberteil und Gehäuse-Unterteil ein Dämpfungselement, insbesondere in Form einer Dichtung vorgesehen.

In Fig. 5 ist ein Gehäuseteil 2'' eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors 1' ' dargestellt. Das Gehäuseteil 2'' umfasst einstückig sowohl ein Oberteil 2a' ' als auch ein Unterteil 2b' ' . Im Bereich des Unterteils 2b'' sind Gleitschienen 8'' vorgesehen, die über halsartige Halterungen 9 mit einem Abstand quer zur Antriebsachse 2c'' des Kompressors am Unterteil 2b'' fixiert sind. Optional sind die Gleitschienen 8'' stirnseitig auch am Oberteil 2a'' festgelegt.

Gleitflächen 8a' ' erstrecken sich sowohl näherungsweise in radialer als auch in axialer Richtung des Kompressorgehäuses

2' ' , greifen im Betrieb an Kolbenrücken von nicht dargestellten, in Kompressionszylindern 3'' gelagerten Kolben an und verhindern eine Bewegung der Kolben quer zur Antriebsachse 2c' ' . In bevorzugter Weise ist zwischen den Gleitflächen 8a' ' und der zylindrischen Innenoberfläche Z des Gehäuseteils 2' ' ein nennenswerter Abstand vorgesehen, so dass auch die Kolben in einem Abstand zur Innenoberfläche Z gehalten werden können.

Es versteht sich, dass die in den geschilderten Ausführungsbeispielen umfassten Merkmale jeweils auf ähnliche oder modifizierte Ausführungsbeispiele übertragbar sind, so dass sich weitere Merkmalskombinationen ergeben.