Hubkolbenverdichter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Zylinder, der eine Verdichterkammer von kreisrundem Querschnitt enthält, in der ein Hubkolben hin und her beweglich ist. Ein- und Auslassöffnungen für ein zu verdichtendes Medium sind häufig beide an einer Stirnwand des Zylinders angeordnet. Um den öffnungen einen im Verhältnis zum Durchmesser der Stirnwand möglichst großen Durchmesser geben zu können, sind sie meist auf verschiedenen Seiten einer die Stirnwand diametral kreuzenden imaginären Mittelebene angeordnet.

Um einen hohen Wirkungsgrad des Verdichters zu erzielen, muss dessen Totvolumen so klein wie möglich sein. Es ist daher bekannt, an einem Hubkolbenverdichter die der Stirnwand zugewandte Oberfläche des Kolbens mit einem Vorsprung zu versehen, der am oberen Totpunkt des Kolbens in die Auslassöffnung eingreift, um darin enthaltenes Medium so vollständig wie möglich aus der Verdichterkammer auszutreiben.

Damit der Vorsprung des Kolbens zuverlässig in die Auslassöffnung einrücken kann, darf der Kolben in der Verdichterkammer nicht um deren Längsachse drehbar sein. Bei einem herkömmlichen, von einem rotierenden Motor über einen Kurbeltrieb angetriebenen Hubkolben ist dies kein Problem. Bei neueren Verdichterbauformen, wie etwa bei dem aus US 6 506 032 B2 bekannten Linearverdichter, ist eine Drehung des Kolbens um die Längsachse nicht ausgeschlossen. Wenn ein solcher drehbarer Kolben in der oben beschriebenen Weise mit einem Vorsprung versehen ist, besteht die Gefahr, dass der Vorsprung nach einer Drehung des Kolbens nicht mehr in die Auslassöffnung trifft und statt dessen gegen die Stirnwand des Zylinders schlägt, was zur Zerstörung des Verdichters führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Verdichter anzugeben, der einen hohen Wirkungsgrad erreicht, ohne dass eine Drehung des Kolbens in der Verdichterkammer um deren Längsachse konstruktiv ausgeschlossen werden muss.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verdichter mit einem Zylinder, in dem eine Verdichterkammer von kreisrundem Querschnitt gebildet ist und in einer Stirnwand

des Zylinders Ein- und Auslassöffnungen für ein zu verdichtendes Medium gebildet sind, und einem in der Verdichterkammer hin und her beweglichen Hubkolben, der an seiner der Stirnwand zugewandten Oberfläche einen Austreibervorsprung trägt, der in einer Totpunktstellung des Kolbens in die Auslassöffnung eingreift, die Längsachse des Zylinders durch die Auslassöffnung verläuft. Als Längsachse soll die Zentrumsachse verstanden sein.

Um trotz der zentralen Platzierung der Auslassöffnung einen großen Querschnitt der Einlassöffnung zu realisieren, hat letztere vorzugsweise einen unrunden Querschnitt, dessen Abmessung in Umfangsrichtung des Zylinders größer ist als in radialer Richtung.

Insbesondere kann die Einlassöffnung einen Querschnitt in Form eines Kreisbogens aufweisen.

Alternativ können eine Mehrzahl von um die Auslassöffnung herum verteilten Einlassöffnungen vorgesehen sein. Auch diese sind zweckmäßigerweise entlang eines Kreisbogens verteilt.

Der Kreisbogen ist zweckmäßigerweise zur Längsachse konzentrisch. Vorzugsweise erstreckt er sich über einen Winkel von weniger als 180°. Letzteres ist insbesondere sinnvoll, um den gesamten Einlassquerschnitt mit einem einzigen Absperrkörper absperren zu können.

Ein solcher Absperrkörper ist vorzugsweise durch eine in der Verdichterkammer angeordnete erste Blattfeder gegen die Einlassöffnung beaufschlagt.

Um die Biegebelastung der Blattfeder im Betrieb klein zu halten, ist es zweckmäßig, diese im Verhältnis zu den radialen Abmessungen des Verdichters möglich lang zu machen. Hierfür ist es insbesondere zweckmäßig, wenn die Blattfeder an einem der Einlassöffnung diametral gegenüberliegenden Ort der Stirnwand befestigt ist.

Um zu verhindern, dass die Blattfeder die Auslassöffnung versperrt, ist sie vorzugsweise mit einer öffnung versehen, durch die die Längsachse des Zylinders verläuft.

Ein zweiter Absperrkörper ist vorzugsweise durch eine an der Außenseite der Stirnwand angeordnete zweite Blattfeder gegen die Auslassöffnung beaufschlagt.

Der Zusammenbau des Verdichters ist vereinfacht, wenn erste und zweite Blattfeder durch wenigstens eine gemeinsame Niete an der Stirnwand befestigt sind. Vorzugsweise ist jede Blattfeder von wenigstens zwei Nieten gehalten, um eine Verdrehung der Blattfeder zu verhindern, die dazu führen könnte, dass der Sperrkörper die zugeordnete öffnung nicht mehr korrekt verdeckt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;

Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht von Teilen des Verdichters aus Fig. 1 ; und

Fig. 3 einen Schnitt durch den Zylinder des Verdichters aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Linearverdichter für ein Kältegerät, der eine bevorzugte Anwendung der Erfindung darstellt. Der Linearverdichter hat einen steifen, in Draufsicht in etwa U-förmigen Rahmen, der aus zwei flachen Wandstücken 1 und einem Bogen 2 zusammengesetzt ist. Zwischen einander zugewandten Stirnseiten des Bogens 2 und der zwei Wandstücke 1 ist eine erste Membranfeder 3 eingespannt, eine zweite Membranfeder 4 von gleicher Gestalt wie die Membranfeder 3 ist an von dem Bogen 2 abgewandten Stirnseiten der Wandstücke 1 befestigt.

Die aus Federblech gestanzten Membranfedern 3, 4 haben jeweils vier Federarme 5, die sich im Zickzack von den Wandstücken 1 zu einem Mittelabschnitt 6 erstrecken, mit dem sie zusammentreffen. Der Mittelabschnitt 6 weist jeweils zwei Bohrungen auf, zwei äußere, an denen mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 7 ein permanent magnetischer Schwingkörper 8 aufgehängt ist, und eine mittlere Bohrung, durch die sich bei der Membranfeder 3 eine an dem Schwingkörper 8 z. B. durch Verschraubung befestigte

Kolbenstange 10 erstreckt. Die Kolbenstange 10 verbindet den Schwingkörper 8 mit einem in der Fig. nicht sichtbaren Hubkolben im Inneren eines Zylinders 15, der von dem Bogen 2 getragen ist. Kältemitteleinlass und -auslassstutzen der Pumpkammer sind mit 16 bzw. 17 bezeichnet.

Zwei Elektromagnete 9 mit E-förmigen Joch und einer um den mittleren Schenkel des E gewickelten Spule sind jeweils zwischen dem Schwingkörper 8 und den Wandstücken 1 mit dem Schwingkörper 8 zugewandten Polschuhen angeordnet und dienen zum Antreiben einer Schwingbewegung des Schwingkörpers 8. Eine Steuerschaltung 37 versorgt die Elektromagnete 9 mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz an die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems angepasst ist, welches durch die Membranfedern 3, 4, den Schwingkörper 8 und den von ihm angetriebenen Hubkolben gebildet ist.

Der Zylinder 15 ist, wie in Fig. 1 erkennbar, gegliedert in einen Hauptkörper 1 1 , in welchem der Hubkolben hin und her beweglich geführt ist, eine Ventilplatte 12, die eine Stirnwand einer im Hauptkörper ausgesparten Verdichterkammer bildet, und eine Kappe 13, an der sich die Ein- und Auslassstutzen 16, 17 befinden.

Der Aufbau des Zylinders wird deutlicher anhand der auseinandergezogenen Darstellung der Fig. 2. Der Hauptkörper 1 1 ist in der Fig. 2 weggelassen; der Umriss der sich in dem

Hauptkörper erstreckenden Verdichterkammer ist an der Ventilplatte 12 als gestrichelter

Kreis 14 angedeutet. Die Längsachse der Verdichterkammer ist als strichpunktierte Linie eingezeichnet. In der Ventilplatte 12 ist eine kreisrunde Auslassbohrung 18 exakt koaxial zu der Längsachse angeordnet. Ein kreisbogenförmiger Schlitz erstreckt sich über einen Winkel von hier etwa 120° um die Auslassbohrung 18 herum und bildet eine

Einlassöffnung 19 der Verdichterkammer.

Weitere Bohrungen 20 an den Ecken der Ventilplatte 12 sind vorgesehen, um nicht dargestellte Schrauben aufzunehmen, mit denen die Ventilplatte 12 und die Kappe 13 am Hauptkörper 1 1 befestigt werden. Zwei weitere Bohrungen 21 dienen zur Befestigung von zwei Blattfedern 22 bzw. 23 an der Ventilplatte 12 mit Hilfe von Nieten 24. Die Blattfedern 22, 23 bilden zusammen mit der Einlassöffnung 19 bzw. der Auslassbohrung 18 jeweils Ein- und Auslassventile der Verdichterkammer. Die Blattfedern 22, 23 haben jeweils einen

langgestreckten Fuß 25, in dem zu den Bohrungen 21 komplementäre Löcher 26 für die Nieten 24 gebildet sind, und eine von dem Fuß zur Längsachse hin abstehende elastische Zunge 27.

In die Zunge 27 der Blattfeder 23 ist eine öffnung 28 geschnitten, die, wenn die Blattfeder 23 an der Ventilplatte 12 vernietet ist, die Auslassbohrung 18 frei lässt. Ein Endabschnitt 38 der Zunge 27, der sich bogenförmig um die öffnung 28 erstreckt, bildet einen Absperrkörper des Einlassventils, der in entspanntem Zustand der Blattfeder 23 die Einlassöffnung 19 abdeckt.

Die Zunge 27 der Blattfeder 22 liegt von außen an der Auslassbohrung 18 an, wobei ihre Spitze als Absperrkörper des Auslassventils fungiert.

Das Innere der Kappe 13 ist durch eine Zwischenwand 29 in einen saugseitigen Hohlraum 30 und einen druckseitigen Hohlraum 31 unterteilt, auf die der Kältemitteleinlassstutzen 16 bzw. -auslassstutzen 17 münden und die mit der Verdichterkammer über die Einlassöffnung 19 bzw. die Auslassbohrung 18 kommunizieren.

Der mit 32 bezeichnete Hubkolben weist an seiner in der Perspektive der Fig. 2 vom Betrachter abgewandten Seite einen zur Längsachse konzentrischen Vorsprung 33 auf, dessen Länge und Durchmesser der gemeinsamen Dicke der Ventilplatte 12 und der

Blattfeder 23 bzw. dem Durchmesser der Auslassbohrung 18 entsprechen. An einem oberen Totpunkt der Bewegung des Hubkolbens 32, wenn dieser die vom in der

Verdichterkammer herrschenden Druck gegen die Ventilplatte 12 gedrückte Blattfeder 23 nahezu berührt, rückt der Vorsprung 33 in die Auslassbohrung 18 ein und verdrängt darin enthaltenes Restgas.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Hauptkörper 1 1 der Verdichterkammer und den Hubkolben 32. Man erkennt, dass die Verdichterkammer 14 von einem ringförmigen Hohlraum 34 umgeben ist, der mit der Verdichterkammer 14 durch eine Vielzahl von kleinen öffnungen 35 kommuniziert. Der Hohlraum 34 erstreckt sich in Längsrichtung der Verdichterkammer 14 vom oberen bis zum unteren Totpunkt des Hubkolbens 32. Er ist über eine Bohrung 36 der Ventilplatte 12 mit dem druckseitigen Hohlraum 31 der Kappe

13 verbunden und auf diese Weise mit verdichtetem Kältemittel gespeist, das in kleinen Mengen durch die öffnungen 35 in die Verdichterkammer 14 eindringt und so zwischen deren Wänden und dem Hubkolben 32 ein Gaskissen bildet, auf dem der Hubkolben 32 reibungs- und verschleißarm beweglich ist.