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Luftkompressor Es ist bereits verschiedentlich versucht worden, die
für Kolben- und Membranverdichter notwendige hin und her gehende Antriebsbewegung
durch den Anker eines Elektromagneten zu bewerkstelligen. Hierzu hat sich die Anordnung
von elektrischen Umschaltkontakten als unbrauchbar erwiesen, und es kommt nur jene
ursprüngliche Bewegung in Betracht, welche vom Anker eines Wechselstrommagneten
ausgeführt wird. In diesem Falle treten naturgemäß Schwingungen in beträchtlicher
Zahl und mit großer Geschwindigkeit auf, welche nicht ohne weiteres geeignet sind,
nützliche Kompressionsarbeit zu leisten.
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Die vorteilhafteste Anordnung ergibt sich, wenn der Anzug des Ankers
des Wechselstrommagneten den Saughub und die Entfernung des Ankers von seinen Polen
den Druckhub der Kompression ausführt. Beim Anzug des Ankers wird die überschüssige
Kraft in einer Feder gespeichert, deren Rückstellkraft den darauffolgenden Druckhub
leistet. Die Anziehung des Ankers und seine Rückführung erfolgen nach der Periodizität
des Wechselstromes, so daß z. B. bei Wechselstrom von fünfzig Perioden hundert Saug-
und Druckhübe stehen. Die Arbeitsleistung derartiger Kompressoren ist prinzipiell
abhängig von der Dimensionierung des Wechselstrommagneten, der Höhe der Schwingungsamplitude,
der Kraft-Weg-Charakteristik der Schwingfeder und der Ausbildung des Verdichterorgans,
d. h. der Membran oder des Kolbens. Eine eingehende Prüfung dieser Faktoren hat
ergeben, daß der Dimensionierung des Wechselstrommagneten
praktisch
bestimmte Grenzen gesetzt sind, da dem magnetischen Schwingsystem im Wechselfeld
eine starke Phasenverschiebung anhaftet, welche den Leistungsfaktor cos p sehr niedrig
hält. Bei kleineren elektrischen Maschinen ist dies wohl bedeutungslos, hingegen
müssen Schwingkompressoren mit einer Leistung von etwa 6 atü und etwa roo 1/min
Ansaugleistung übermäßig groß dimensioniert sein, und der beträchtliche Blindstrom
erfordert zu seiner Korrektur zusätzliche Einrichtungen.
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Die Größe des Wechselstrommagneten ist im wesentlichen von der Strommenge
abhängig, welche durch seine Spule fließt, und die Strommenge von der Wegstrecke
zwischen den Magnetpolen und dem Anker, die den aktiven Arbeitshub bildet. Vom Standpunkt
der Kompressionsleistung wäre es daher vorteilhaft, den Luftspalt zwischen den Magnetpolen
und dem Anker möglichst groß zu halten, was aber die baulichen Verhältnisse und
den Wirkungsgrad wesentlich verschlechtert und außerdem das Betriebsgeräusch erhöht.
Die Schwingungsbewegung des Ankers bei einer Amplitude von z. B. z bis 3 mm würde
eine enorme Geschwindigkeit annehmen und so die Dauerhaftigkeit aller beweglichen
Teile gefährden.
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Die Lage der Schwingungsbahn des Ankers, deren Endpunkte durch keinerlei
mechanische Mittel bestimmt sind, hängt vom jeweiligen Druck ab, auf welchen das
Medium komprimiert wird. Mit wachsendem oder sinkendem Gegendruck verschiebt sich
die Schwingungsmittellage des Ankers, ohne daß im allgemeinen die Amplitude der
Schwingung eine Veränderung erfährt. Die Verschiebung der Schwingungsmittellage
beeinflußt die magnetischen Verhältnisse des Antriebes derart, daß bei einer Steigerung
bzw. Abnahme des Gegendruckes selbsttätig eine Verringerung bzw. Erhöhung der aufgenommenen
elektrischen Energie eintritt. Somit wird die Kompressionsarbeit durch das elektromagnetische
Antriebssystem selbst reguliert, ohne daß eine der sonst üblichen Steuervorrichtungen,
wie Maximalventile, Druckschalter od. dgl., vorgesehen werden müssen.
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Die Erfahrung hat gelehrt, daß nur relativ kleine Schwingungen des
Ankers im Wechselfeld einen zweckentsprechenden Antrieb bilden können. L' 'm die
sich daraus ergebenden kleinen Arbeitshübe nutzbar zu machen, muß die Kraftspeicherung
in einer Feder mit nichtlinearer Kraft-Weg-Charakteristik erfolgen. Da nämlich im
allgemeinen die Krümmung der Kompressionslinie des Arbeitsmediums das Zustandekommen
harmonischer Schwingungen verhindert, mußte der verzerrende Einfluß der Kompression
durch die vorgesehene Federung des schwingenden Systems kompensiert werden, und
zwar so, daß der Federung eine hierfür geeignete nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik
gegeben wurde.
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Es gelingt mit federnden Körpern, deren Charakteristik von der geradlinigen
nach oben abweicht, den im allgemeinen bei diesen Kompressoren auftretenden pseudoharmonischen
Schwingungsvorgang dem harmonischen näher zu bringen, als dies durch Verwendung
von Federn mit linearem Federgesetz möglich ist. Bei Förderung auf verschieden hohe
Drücke ergeben sich Keimlinien, deren Steigung im Arbeitsbereich sich weniger ändert,
als dies bei Verwendung von federnden Körpern mit linearer Charakteristik der Fall
ist. Verwendet man also federnde Körper mit nichtlinearer Charakteristik, so wird
sich demnach bei Förderung auf verschieden hohe Drücke die Eigenfrequenz des schwingenden
Systems weniger verändern als bei Verwendung von linearen Federn. Außerdem bleibt
die Größe der Schwingungsamplituden annähernd konstant, so daß nur ein geringes
Absinken der Fördermenge bei Druckänderungen die Folge ist.
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Die Zweckmäßigkeit solcher Federn mit nicht linearer Charakteristik
wurde auch durch theoretische Untersuchungen bestätigt. Praktisch war es jedoch
schwierig, für minimale Hubbewegungen entsprechende Federn mit nichtlinearer Kraft-Weg-Charakteristik
zu bestimmen.
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Nach dem Vorausgesagten ist es für den zweckentsprechenden Bau von
Schwingungskompressoren erforderlich, eine Feder zu verwenden, welche geeignet ist,
die magnetische Anzugskraft durch kürzeste Wegstrecken aufzuspeichern und abzugeben,
wobei die nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik solcher Federn einerseits den magnetischen
Kraftverhältnissen, andererseits dem Gegendruck des komprimierten Mediums angepaßt
wird. Dies wird erreicht durch ein starres System der Kraftübertragung, welches
die minimalen hin und her gehenden Bewegungen, d. h. Schwingungen des Ankers des
Wechselstrommagneten, durch einen Membran- oder Kolbenverdichter in nützliche Kompressionsarbeit
umsetzt.
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Dies ist bereits früher angestrebt worden, und es sind zu diesem Zweck
Konstruktionen vorgeschlagen worden, bei welchen ein Luftkompressor mit einem durch
einen Wechselstrommagneten in Schwingung versetzbaren Gummiblock als Verdichtungsorgan
versehen ist. Hierbei bewirkt ein Teil der jeweiligen Anzugskraft des Ankers des
Wechselstrommagneten den Saughub, und der restliche Teil dient zum Zusammendrücken
des Gummiblocks. Die Rückstellkraft des letzteren bewirkt dann den Druckhub.
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Die Erfindung hat nun eine Verbesserung dieser bekannten Einrichtung
zum Gegenstand, die darin besteht, daß ein ringförmiger, federnder Gummiblock mit
seinen Endflächen zwischen zwei zueinander einstellbaren Platten eingespannt ist,
von dessen Endflächen mindestens eine konisch nach innen verläuft.
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Durch diese Ausbildung des Luftkompressors werden eine weitgehende,
leichte Feineinstellung der Vorspannung des federnden Gummiblocks und möglichst
geringe Hubbewegungen erzielt.
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Ringförmige Gummiblöcke sind zwar als Verdichtungsorgane bei Schwingungsverdichtern
bereits vorgeschlagen worden, sind aber bei den bekannten Ausführungen weder gemäß
der vorliegenden
Erfindung gestaltet, noch dienen sie dem hier
angestrebten Zweck.
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Der konische Verlauf der einen oder auch beider Endflächen des als
Feder dienenden Gummiblockes kann nach einer geraden oder gekrümmten Linie erfolgen.
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Die Ringfeder dieser Art, zwischen zwei starre Platten gespannt, erhält
zunächst durch Zusammenpressen eine angemessene fixe Vorspannung, welche (las System
in die Nullstellung bringt, von welcher aus erst der aktive Arbeitshub, d. h. die
Schwingungsamplitude, beginnt. In allen Fällen entspricht die Höhe des konischen
Teiles dem Bereich der Vorspannung. Die vorerst grob bemessene ringförmige Gummifeder
kann in einfacher Weise adjustiert werden, indem durch Feineinstellung der Einspannplatten
die Vorspannung (mit Hilfe der Konizität) nach Wunsch feinstens verändert wird lind
so die Feder in den richtigen Arbeitsbereich gelangt.
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Der Durchmesser der Gummifeder soll der Länge des Ankers annähernd
gleichkommen, wodurch dieser vor Kippschwingungen gesichert ist und in jeder Arbeitsstellung
seine zu den Magnetpolen parallele Lage beibehält..
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Diese Schwingfederanordnung erweist sich schon bei Amplituden von
o,i min aufwärts wirksam. Diese kleinen Hubbewegungen in der Größe von etwa o,i
bis i inin werden zu ihrer höchsten Ausmitzung auf das Verdichterorgan. vorzugsweise
eine -Membran, übertragen, indem durch die Öffnung der Ringfeder eine zentral liegende
Stange geführt ist, welche an ihrem unteren Ende den Anker in seiner -Mitte faßt
und am oberen Ende die -Membran trägt.
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Die -Membran ans weichem und biegsamem -Material, wie z. B. Gummi,
einem Kunststoff o(-, dgl., ist an ihrem mittleren Teil zweckmäßig verdickt und
umschließt mit diesem verdickten Teil das plattenartige Ende der Stange, welches
auf diese Weise in die Membran eiligebettet ist. Hierdurch erhält die Membran die
Steifheit eines Kolbens, welcher mit seinem verjüngten Ende membranartig eingespannt
ist.
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Die Vorspannkraft der Feder preßt die glatte Oberfläche der versteiften
Membran an eine Gegenplatte, welche das Saug- und das Druckventil trägt. Die satte
Anpressulig der Kolbenmembran all diese Gegenplatte verhindert die Bildung von schädlichen
Räumen, welche natürlich bei so kleinen Arbeitshüben ganz besonders vermieden werden
müssen. Da auch bei längerer Beanspruchung einer solchen versteiften Membran eine
schädliche Deformation nicht auftreten kann, ist ein gleichbleibender Betriebszustand
gesichert. Diese -Membran bietet als Verdichterorgan die Vorteile eines Kolbens,
ohne daß, wie bei einem solchen, Schmierung erforderlich ist, und die Einfachheit
einer Membran, ohne deren im geringen Hubvolumen und der Deformationsgefahr zu erblickenden
Nachteile. Eine derartige Membran, z. B. von einem aktiven Durchmesser voll 8o mm,
ergibt bei einem Hub voll o,5 mm ein Hubvolumen voll etwa 2,5 ein-" und bei Wechselstrom
von fünfzig Perioden, d. h. fünfzig Schwingungen in der Sekunde, eine Ansaugleistung
von etwa 7,5 -/min. Die Kompressionsdruckleistung ist von der Stärke des @4'echselstrommagneten
abhängig, welcher z. B. seinen Anker in einer Entfernung von etwa o,5 mm mit einer
Kraft von etwa ioo kg anzieht, in welchem Falle bei Verwendung der vorerwähnten
Membran ein Druck von 2 atü erreicht wird.
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Es ist selbstverständlich, daß auch in den Ventilen tunlichst schädlicher
Raum vermieden werden muß, weshalb diese nach der vorbeschriebenen Bauart in unmittelbarer
Nähe der Membran angeordnet sind. Die Ventile selbst bestehen aus Plättchen, welche
in der Frequenz des pulsierenden Luftstromes von diesem geöffnet und geschlossen
werden.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. i einen senkrechten Mittelschnitt durch einen
Luftkompressor, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie A in Fig. i bis zur Mitte und eine
Draufsicht auf die andere Hälfte des Luftkompressors und Fig.3 eine vergleichsweise
graphische Darstellung der Leistung dieses Luftkompressors bei Verwendung einer
linearen, einer nichtlinearen und einer erfindungsgemäßen Schwingfeder.
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Zinn besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst auf Fig. 3 hingewiesen.
In dieser Fig. 3 zeigt die gestrichelte Linie I die Leistung bei Verwendung einer
linearen und die Linie II die Leistung bei Verwendung einer nichtlinearen Feder.
Es ist ersichtlich, daß die nichtlineare Feder (1I) bereits erheblich günstiger
wirkt, weil hierbei bei zunehmendem Druck die geförderte Menge nicht so rasch abfällt.
Demgegenüber veranschaulicht die Linie III den Leistungsverlauf des nachstehend
beschriebenen Luftkompressors. Die Kennlinie verläuft zum Teil geradlinig und horizontal,
und zwar über den nutzbaren Druckbereich (von o,6 bis 1,2 atü), innerhalb welchem
die geförderte Luftmenge somit konstant bleibt. Praktisch bedeutet dies, z. B. bei
Anwendung der Druckluft zur Zerstäubung von Flüssigkeiten, daß unabhängig vom erforderlichen
Luftdruck eine stets gleichbleibende Menge Luft gefördert wird.
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Der Aufbau des Luftkompressors ist in seinen Einzelheiten aus Fig.
i und 2 erkennbar. Auf einer viereckigen Grundplatte i ist ein doppelt-U-förmiger
Wechselstrommagnet 2 befestigt. Nahe den Ecken der Grundplatte i und des Wechselstrommagneten
2 sind Löcher vorgesehen, in welche vier senkrechte Bolzen 3 eingesetzt sind. Diese
Bolzen 3 tragen in einer gewissen Entfernung vom oberen Ende des Wechselstrommagneten
2 eine horizontale Platte i o, welche eine zentrale Öffnung besitzt. Auf dieser
Platte io sitzt ein ringförmiger Gummikörper 9, welcher von einer gleich großen
Metallplatte 8, die ebenfalls ein zentrales Loch aufweist, überdeckt ist. Oberhalb
des Wechselstrommagneten
2 und unterhalb der Platte io ist ein
Anker ,4 angeordnet. In ein Gewinde in der Mitte des Ankers 4. ist das mit einem
entsprechenden Gewinde versehene untere Ende eines Stiftes $ eingeschraubt, welcher
an seinem oberen Ende eine starre, runde Platte 6 trägt. Diese Platte 6 ist in einen
gleichfalls runden, verdickten zentralen Ansatz 7' einer Gummimembran 7 eingebettet.
Bevor der Stift 5 in den Anker 4 eingeschraubt wird, werden die Metallplatte 8 und
die Metallplatte io, zwischen welchen der Gummikörper 9 gehalten ist, aufgeschoben
und die Schraubenmuttern i i, i i' und 12 auf das Gewinde aufgeschraubt. Die Gummimembran
7 liegt nun mit der Unterseite ihres verdickten, zentralen Teiles 7' auf der Platte
8 auf, wobei der Stift 5 frei durch die zentralen Öffnungen der Platte io und des
ringförmigen Gummikörpers 9 hindurchtritt,wodurch derAnker 4 frei in seiner oberen
Grenzlage gehalten wird. Die Muttern i i und i i' dienen dazu, die Platte 8 satt
an den zentralen Ansatz 7' der Gummimembran 7 anzudrücken, und die Mutter 12 dazu,
den Anker am Stift 5 zu fixieren. Die Platte io wird an den Bolzen 3, welche mit
einem Gewinde versehen sind, durch Muttern 3' und 3" gehalten. Durch Verstellen
dieser Muttern 3' und 3" kann die Platte io auf dem Bolzen 3 verschoben und dadurch
die auf dem Gummikörper 9, welcher auf dieser Platte io aufsitzt, aufliegende Platte
8 mehr oder weniger an den zentralen Ansatz 7' der Gummimembran 7 angepreßt werden.
Die obere Fläche des Gummikörpers 9 ist nach innen etwas abgeschrägt, bildet also
eine Konusfläche, so daß die Metallplatte 8 in ihrer Ruhestellung nur auf dem äußeren
Rand dieses Gummikörpers 9 aufliegt. Durch Anpressen des Gummikörpers 9 an diese
Metallplatte 8, mit Hilfe der Muttern 3' und 3", wird die Auflagefläche des Gummikörpers
9 an der Metallplatte 8 nach innen zu vergrößert und dem Gummikörper 9 durch Zusammenpressen
die gewünschte Vorspannung erteilt, welche infolge der erwähnten Abschrägung der
oberen Fläche des Gummikörpers 9 sehr genau bemessen werden kann. Der Anker 4.,
der Stift 5, die Metallplatte 8 und die Gummimembran 7, 7' bewegen sich, abgesehen
vom schmalen Rand der Gummimembran 7, zwischen deren Ansatz 7' und einer Platte
13 als Einheit, wie ein starrer Kolben. Die Platte 13 besitzt eine zentrale, runde
Öffnung, durch welche der Ansatz 7' der Gummimembran 7 nach unten hindurchtritt.
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Der Rand der Gummimembran 7 ist zwischen der an den Bolzen 3 befestigten
Platte 13 und einer oberen, ebenfalls an den Bolzen 3 befestigten :4etallplatte
14 eingespannt. In dieser Metallplatte 14 sind ein Saugventil 15 und ein Druckventil
16 angeordnet. Diese beiden Ventile bestehen aus dünnen, leichten Plättchen. Auf
der Metallplatte 14 ist eine die Zuleitung 17 und die Ableitung i8 tragende schmale
Platte ig mittels Schrauben 2o befestigt. Die vier Bolzen 3 halten somit die Teile
i, 10, 13 und 14 zusammen. Der äußere Durchmesser des Gummikörpers 9 ist zweckmäßigerweise
mindestens so groß wie die Länge des Ankers ¢ zu wählen. Dadurch wirkt sich eine
etwaige Schrägstellung des Ankers 4 auf die Gummimembran 7 nicht so ungünstig aus,
als wenn der Durchmesser des Gummikörpers 9 kleiner wäre. Die Weite des Spaltes
zwischen dem Anker und den Polen des Wechselstrommagneten 2 kann im Bedarfsfalle
mittels Muttern, welche unterhalb der Grundplatte i auf die Bolzen 3 aufgeschraubt
sind, durch Heben oder Senken des auf dieser Grundplatte i befestigten Wechselstrommagneten
eingestellt werden.
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Die wesentlichsten Vorteile des beschriebenen Luftkompressors sind
in seiner großen Leistungsfähigkeit und seiner Dauerhaftigkeit zu erblicken. Die
Rückstellkraft wird in einem den magnetischen und den Kompressionsverhältnissen
angepaßten federnden Gummikörper aufgespeichert, und die kleinsten Hubbewegungen
werden durch ein starres System einer zentral versteiften Gummimembran zugeführt.
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Statt der oberen könnte auch die untere Fläche oder die obere und
die untere Fläche des Gummikörpers 9 eine Konusfläche sein.