DE102004007078B4

DE102004007078B4 - Hubkolbenverdichter, insbesondere Kältemittelverdichter

Info

Publication number: DE102004007078B4
Application number: DE200410007078
Authority: DE
Inventors: Preben Bjerre; Jan Thomsen; Olaf Worm; Per Steneman Larsen
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-02-14
Also published as: DE102004007078A1

Abstract

Hubkolbenverdichter, insbesondere Kältemittelverdichter, mit einem Zylinder, der zusammen mit einer stirnseitig am Zylinder angeordneten Ventilplatte und einem bewegbaren Kolben einen Druckraum begrenzt, wobei die Ventilplatte mindestens eine Saugöffnung aufweist, die mit einem auf einer dem Kolben zugewandten Seite der Ventilplatte angeordneten Saugventilelement zusammenwirkt, welches mit einem ersten Ende an der Ventilplatte befestigt ist, wobei der Kolben auf seiner der Ventilplatte zugewandten Stirnseite einen Anschlagbereich für das Saugventilelement aufweist und wobei das Saugventilelement mit seinem zweiten Ende zumindest über einen Teil des Hubs des Kolbens am Anschlagbereich anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagbereich (11) zum reibungsarmen Gleiten des zweiten Endes des Saugventilelementes (8) eine Beschichtung oder einen Einsatz oder eine geringere Rauhigkeit als der Restbereich (13) der Stirnseite des Kolbens (5) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter, insbesondere Kältemittelverdichter, mit einem Zylinder, der zusammen mit einer stirnseitig am Zylinder angeordneten Ventilplatte und einem bewegbaren Kolben einen Druckraum begrenzt, wobei die Ventilplatte mindestens eine Saugöffnung aufweist, die mit einem auf einer dem Kolben zugewandten Seite der Ventilplatte angeordneten Saugventilelement zusammenwirkt, welches mit einem ersten Ende an der Ventilplatte befestigt ist, wobei der Kolben auf seiner der Ventilplatte zugewandten Stirnseite einen Anschlagbereich für das Saugventilelement aufweist und wobei das Saugventilelement mit seinem zweiten Ende zumindest über einen Teil des Hubs des Kolbens am Anschlagbereich anliegt.

Ein derartiger Hubkolbenverdichter ist aus WO 01/71189 A1 bekannt. Aus der Zeichnung ist zu erkennen, daß das Saugventilelement bis zum Kolben reicht. Es wird ange geben, daß das Ventilelement üblicherweise anfängt zu schwingen. Um dies zu verhindern, ist eine Dämpfungseinrichtung in Form eines Rohres vorgesehen.

Ein weiterer Kolbenverdichter ist aus DE 86 27 859 U1 bekannt. Wenn der Kolben so bewegt wird, daß er sich von der Ventilplatte entfernt, vergrößert sich der Druckraum. Dadurch entsteht ein Unterdruck, mit dem Gas, bei einem Kältemittelverdichter Kältemittelgas, in den Druckraum angesaugt wird. Dabei wird das Saugventilelement durch die Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und einem auf der anderen Seite der Ventilplatte angeordneten Saugraum von der Ventilplatte abgehoben. Das Saugventilelement bewegt sich ein Stück weit auf den Kolben zu. Um ein Auftreffen des Saugventilelements auf den Kolben zu verhindern, ist eine Hubfängernase vorgesehen, die in eine Ausnehmung eingreift, die in der Umfangswand des Zylinders im Bereich der Ventilplatte vorgesehen ist. Hierdurch kann die Öffnungsbewegung des Saugventilelements und damit die im Saugventilelement entstehende Zugspannung im Blattfedermaterial begrenzt werden. Nachteilig ist jedoch die Tatsache, daß das Saugventilelement ein Strömungshindernis für das einströmende Sauggas ist. Dies führt zu Verwirbelungen und damit einhergehenden Druckverlusten. Darüber hinaus bildet die Aussparung, in der die Hubfängernase bewegt wird, ein Totvolumen, das den Wirkungsgrad des Verdichters begrenzt.

US 5 173 040 A zeigt eine ähnliche Konstruktion, bei der zusätzlich ein Saugventilanschlag vorgesehen ist, an dem das Saugventilelement vollflächig anliegt, wenn es vollständig geöffnet ist. Der Saugventilanschlag verhindert zwar ein Schwingen und auch eine übermäßige Zugbelastung des Saugventilelements. Nachteilig ist jedoch, daß man ein zusätzliches Bauteil verwenden muß. Darüber hinaus erhöht das Saugventilelement und der Saugventilanschlag den Strömungswiderstand. Darüber hinaus muß der Kolben an seiner Stirnseite abgeschrägt werden, um eine Kollision zwischen dem Saugventilanschlag und dem Kolben zu verhindern, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Dies ist aufwendig und erhöht den schädlichen Raum.

DE 196 13 911 C1 zeigt ein Saugventilelement, das außerhalb des Druckraums zwischen einem den Zylinder aufnehmenden Gehäuseteil und der Ventilplatte eingespannt ist. Das Saugventilelement wird bei einer Öffnungsbewegung an einem Anschlag abgestützt, der sich von der Einspannstelle in den Verdichtungsraum erstreckt. Dieser Anschlag weist eine Reihe von zunehmend stärker geneigten Abschnitten auf, so daß sich der Biegewiderstand für das Saugventilelement sukzessive erhöht. Diese Ausgestaltung führt jedoch zu einer Vergrößerung des schädlichen Raums und ist relativ aufwendig herzustellen.

JP 11-082302 A zeigt einen Kolbenkompressor, dessen Kolben an seiner dem Saugventilelement zugewandten Seite einen Magneten trägt, der das Saugventilelement anzieht. Damit soll erreicht werden, daß das Saugventilelement öffnet, bevor im Verdichtungsraum der ansonsten erforderliche Unterdruck erzeugt worden ist.

DE 696 06 380 T2 beschreibt eine Auslaßventilvorrichtung einer Fluidverdrängeranlage, bei der ein Anschlagbereich eines Auslaßventils an einer gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen guten Wirkungsgrad des Verdichters zu erhalten, ohne die Lebensdauer des Saugventils negativ zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird bei einem Hubkolbenverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Anschlagbereich zum reibungsarmen Gleiten des zweiten Endes des Saugventilelementes eine Beschichtung oder ei nen Einsatz oder eine geringere Rauhigkeit als der Restbereich der Stirnseite des Kolbens aufweist.

Mit dieser Ausgestaltung erreicht man, daß das Saugventilelement dem einströmenden Sauggas nicht mehr im Wege steht. Eine übermäßige Beanspruchung des Saugventilelements wird verhindert, weil das Saugventilelement an einem beweglichen Anschlag anliegt, nämlich am Kolben. Die Öffnungsbewegung kann zwar zu Beginn des Saughubs relativ schnell erfolgen. Sobald das Saugventilelement aber mit einem Ende am Kolben anliegt, ist die weitere Verformungsgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit der Bewegung des Kolbens begrenzt. Da sich beim Auftreffen der Kolben und das Saugventilelement in die gleiche Richtung bewegen, ist lediglich die Differenzgeschwindigkeit beider Bewegungen für die Aufschlagsenergie von Bedeutung. Diese Differenzgeschwindigkeit ist aber entsprechend niedriger als die Geschwindigkeit des Saugventilelements allein, so daß die Gefahr einer Beschädigung für das Saugventilelement gering gehalten wird. Zusätzlich ist vorgesehen, daß man das Auftreffen des Saugventilelements auf den Kolben so gestaltet, daß sich beim Auftreffen kein Stauchen des Saugventilelements ergibt, wie weiter unten erläutert wird. Dementsprechend bleiben die Belastungen, denen das Saugventilelement beim Auftreffen auf den Kolben ausgesetzt ist, klein. Außerdem werden durch die verringerte Aufschlagenergie auch die entstehenden störenden Anschlaggeräusche vermindert, die an die Umgebung abgegeben werden. Der Anschlagbereich weist in einer Alternative eine geringere Rauhigkeit als der Restbereich auf. Mit anderen Worten ist der Anschlagbereich glatter als der Restbereich. Das Saugventilelement kann also beim Auf treffen auf den Anschlagbereich gleiten und sich dadurch entspannen, so daß Belastungen auf das Saugventilelement klein bleiben. In einer anderen Alternative ist der Anschlagbereich an einem Einsatz oder einer Beschichtung des Kolbens ausgebildet. Durch die Verwendung eines Einsatzes oder einer Beschichtung muß man nicht den gesamten Kolben bzw. nicht die gesamte Stirnseite des Kolbens mit einem Material fertigen, das die gewünschten Eigenschaften hat. Unter Umständen ist ein derartiges Material mit höheren Kosten verbunden. Wenn man dieses Material auf Teilbereiche beschränkt, dann benötigt man weniger Material und kann den Verdichter somit kostengünstiger fertigen. Durch diese Maßnahme setzt der Anschlagbereich einer Relativbewegung des Saugventilelements gegenüber der Stirnseite einen geringeren Widerstand entgegen als ein außerhalb des Anschlagbereichs angeordneter Restbereich der Stirnseite. Wenn das Saugventilelement auf die Stirnseite des Kolbens auftrifft, kann es bei dieser Ausgestaltung etwas auf dem Kolben gleiten, d.h. es wird nicht gestaucht. Dadurch werden Spannungen im Saugventilelement klein gehalten. Die Gefahr, daß das Saugventilelement bricht, ist damit stark verringert worden.

Vorzugsweise weist der Anschlagbereich eine größere Härte als der Restbereich auf. Dies ist eine präventive Maßnahme, um auch für eine längere Lebensdauer zu gewährleisten, daß der Anschlagbereich einer Relativbewegung des Saugventilelements nur einen geringen Widerstand entgegensetzt. Bei einer größeren Härte ist es nicht möglich, daß sich beim Auftreffen des Saugventilelements auf die Stirnseite des Kolbens Einkerbungen ergeben, die später zu einer Erhöhung des Bewegungswi derstandes des Saugventilelements gegenüber der Stirnseite des Kolbens führen würden.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Einsatz oder die Beschichtung aus Keramik oder Polytetrafluorethylen gebildet ist. Beide Materialien haben eine ausreichende Härte und erlauben ein reibungsarmes Gleiten der Kante des Saugventilelements auf der Stirnseite des Kolbens.

Bevorzugterweise weist der Kolben im Anschlagbereich eine Vertiefung mit einem in den Restbereich übergehenden Boden auf. Mit dieser Ausgestaltung stellt man eine Fläche zur Verfügung, an der das Saugventilelement beim Auftreffen auf die Stirnseite des Kolbens flächig anliegen kann. Dementsprechend ist die Flächenpressung zwischen dem Saugventilelement und der Stirnseite des Kolbens beim Auftreffen geringer. Wenn sich das Saugventilelement nun zusätzlich noch flächig auf dem Boden der Vertiefung verschieben kann, besteht nicht die Gefahr, daß es zu Stauchungen oder anderen Spannungen im Saugventilelement kommt. Außerdem kann sich in der Vertiefung mit dem Sauggas mitgeführtes Schmieröl ansammeln. Diese Ölvorlage wirkt als zusätzliches Dämpfungsorgan und vermindert den schädlichen Raum.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Boden eine Neigung aufweist, die der Neigung des Saugventilelements im Moment des Auftreffens entspricht. Diese Neigung des Saugventilelements im Moment des Auftreffens kann man im voraus ermitteln und den Boden dann entsprechend neigen. Dies führt dazu, daß das Saugventilelement beim Auftreffen gleich vollflächig auf dem Boden der Vertiefung aufliegt. Die beim Aufprallen des Saugventilelements auf den Kolben entstehenden Kräfte verteilen sich auf eine relativ große Fläche, so daß die von den Kräften verursachten Druckspannungen klein bleiben.

Der Boden kann auch eine Krümmung aufweisen. In diesem Fall wird die Neigung an der Stelle ermittelt, an der das Saugventilelement im Moment des Auftreffens tangential anliegt. Auch ein gekrümmter Boden stellt sicher, daß sich das Saugventilelement in allen Betriebszuständen der Kälteanlage ohne gestaucht zu werden an den Kolben anlegen kann. Es wird also eine Anpassung an die unterschiedlichen Anschlagzeitpunkte ermöglicht, die vom Belastungszustand der Anlage und/oder vom verwendeten Kältemittel abhängig sind.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Krümmung konvex ist. Bei einer konvexen Krümmung kann die Anlage des Saugventilelements an den Boden der Vertiefung nach und nach erfolgen. Die Reibung zwischen dem Saugventilelement und dem Boden wird dadurch klein gehalten, so daß eine relativ freie Beweglichkeit gegeben ist.

Dies gilt insbesondere dann, wenn die Krümmung des Bodens einen kreisbogen- oder ellipsenförmigen Verlauf aufweist. Ein kreisbogen- oder ellipsenförmiger Verlauf läßt sich leicht fertigen.

Vorzugsweise weist der Boden ein geräuschdämmendes Material auf. Dies kann beispielsweise durch ein relativ weiches Material realisiert werden. Wenn das Saugventilelement nicht mit der Spitze, sondern mit der Unterseite "flächig" auf den Kolben auftrifft, ist das Risiko eines "Eingrabens" in die Oberfläche des Kolbens gering. Die Geräusche beim Auftreffen bleiben jedoch klein.

Bevorzugterweise weist die Vertiefung in Draufsicht die Form eines Kreisabschnitts auf. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Saugventilelement im Bereich der Saugöffnung ebenfalls eine kreisförmige Kontur hat. In diesem Fall "paßt" das Ende des Saugventilelements mit einem kleinen Toleranzbereich genau in die Vertiefung. Der schädliche Raum wird dadurch klein gehalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines Hubkolbenverdichters,
2 einen Schnitt II-II nach 1,
3 eine zweite Ausführungsform eines Hubkolbenverdichters und
4 eine dritte Ausführungsform eines Hubkolbenverdichters.
Ein in der Zeichnung nur sehr schematisch dargestellter Hubkolbenverdichter 1, der zur Verdichtung von Kältemittelgas verwendet werden kann, weist einen Verdichtungsraum 2 auf, der von einem Zylinder 3 in Umfangsrichtung, einer Ventilplatte 4 an einer Stirnseite und einem Kolben 5 an der gegenüberliegenden Stirnseite begrenzt wird. Wenn sich der Kolben bewegt, wie dies durch einen Doppelpfeil 6 dargestellt ist, dann vergrößert sich der Verdichtungsraum 2, wenn der Kolben 5 nach unten bewegt wird, und er verkleinert sich, wenn der Kolben 5 nach oben bewegt wird, d.h. auf die Ventilplatte 4 zu.
In der Ventilplatte 4 ist eine Saugöffnung 7 ausgebildet. Es können neben der dargestellten einen Saugöffnung 7 auch noch weitere Saugöffnungen vorhanden sein. Diese sind aber aus Gründen der Übersicht genauso wenig dargestellt, wie eine Drucköffnung.
Die Saugöffnung wirkt mit einem Saugventilelement 8 zusammen, das als Federplatte ausgebildet ist. Ein Ende 9 des Saugventilelements ist an der Ventilplatte 4 befestigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß das Saugventilelement zwischen dem Zylinder 3 und der Ventilplatte 4 eingespannt ist. Andere Befestigungen sind aber selbstverständlich möglich.
Wenn sich der Kolben 5 unter Vergrößerung des Verdichtungsraumes 2 von der Ventilplatte 4 weg bewegt, dann hebt das Saugventilelement 8 von der dem Kolben 5 zugewandten Seite 10 der Ventilplatte 4 ab und gibt die Saugöffnung 7 frei, so daß Gas durch die Saugöffnung 7 in den Verdichtungsraum 2 strömen kann.
Das Saugventilelement 8 ist in der vorliegenden Ausführungsform mit einer Dicke und solchen federnden Länge ausgebildet, daß es bei einer derartigen Auslenkung zur Anlage an den Kolben 5 kommt.
Um dafür zu sorgen, daß das Saugventilelement bei einem derartigen Anschlag an den Kolben keinen Schaden nimmt, ist ein Anschlagbereich 11 in der Stirnseite 12 des Kolbens 5 vorgesehen, der sich von einem außerhalb des Anschlagbereichs 11 angeordneten Restbereich 13 (siehe 2) unterscheidet. Der Anschlagbereich 11 ist so ausgebildet, daß das Saugventilelement 8 beim Auftreffen auf den Kolben 5 nicht gestaucht wird, sondern sich das Ende 14 des Saugventilelements 8 gegenüber der Stirnseite 12 des Kolbens 5 relativ frei bewegen kann.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Anschlagbereich in einem Einsatz 15 ausgebildet, der aus Keramik oder Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet sein kann. Beide Materialien ermöglichen ein reibungsarmes Gleiten des Endes 14 des Saugventilelements 8 gegenüber dem Kolben 5. Keramik hat darüber hinaus auch eine relativ große Härte, so daß man beim Auftreffen des Endes 14 des Saugventilelements 8 auf die Stirnseite 12 des Kolbens 5 nicht befürchten muß, daß hier Kerben gebildet werden, die eine spätere Gleitbewegung des Saugventilelements 8 behindern.
Der Anschlagbereich 11 weist eine Vertiefung 16 auf, deren Boden 17 in den Restbereich 13 der Stirnseite 12 übergeht. Der Boden 17 ist dabei so geneigt, daß das Saugventilelement 8 im Moment des Auftreffens flächig auf dem Boden 17 aufliegt. Der hierzu erforderliche Winkel ist für die meisten Betriebssituationen im voraus bestimmbar. Der Boden 17 kann auch mit einem weichen und damit geräuschdämmenden Material belegt sein, so daß durch das Aufschlagen des Saugventilelements 8 auf dem Boden 17 entstehende Geräusche nur eine verhältnismäßig geringe Lautstärke haben.
Der Anschlagbereich 11 weist, wie dies aus 2 zu erkennen ist, die Form eines Halbkreises auf. Er ist damit an die Form des Endes 14 des Saugventilelements 8 angepaßt. Dieses Ende 14 ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet, um die ebenfalls kreisförmig ausgebildete Saugöffnung 7 abdecken zu können.
Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, ist zwischen dem Ende 14 des Saugventilelements 8 und einer Begrenzungswand der Vertiefung 16 ein Abstand 19 ausgebildet, so daß sich das Saugventilelement 8, falls dies erforderlich ist, "strecken" kann, so daß ein Stauchen des Saugventilelements 8 zuverlässig vermieden werden kann.
3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der gleiche und einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hier ist der Anschlagbereich 11 einfach als Beschichtung 20 ausgebildet, wobei die Beschichtung 20 eine geringere Rauhigkeit und damit eine größere Glätte als der Restbereich 13 der Stirnseite des Kolbens 5 aufweist. Wenn also das Ende 14 des Saugventilelements 8 auf dem Kolben 5 auftrifft, dann kann das Ende 14 des Saugventilelements 8 (bezogen auf die 3) nach links ausweichen. Wie aus 3 deutlich zu erkennen ist, hat das Saugventilelement 8 im Moment des Auftreffens eine gewisse Krümmung. Durch das Ausweichen des Endes 14 nach links läßt man zu, daß sich das Saugventilelement 8 beim Auftreffen streckt. Man vermeidet also, daß es gestaucht wird.
4 zeigt eine Ausgestaltung eines Verdichters, die wiederum mehr der 1 entspricht. Hier ist der Boden 17 der Vertiefung 16 gekrümmt, d.h. er weist eine konvexe Krümmung auf. Diese Krümmung folgt einer Ellipsenlinie oder sogar eine Kreislinie. Mit dieser Krümmung hat das Saugventilelement 8 eine weitere Möglichkeit, sich an die Stirnseite des Kolbens 5 anzulegen, wenn es bei der Öffnungsbewegung auf diese Stirnseite auftrifft. Auch verhindert die konvexe Krümmung, daß die Spitze oder Vorderkante des Ventilelements 8 auf die Stirnseite 5 des Kolbens auftrifft und das Ventilelement gestaucht wird. Dadurch wird ein Bruchrisiko für das Ventilelement 8 weiter vermindert.
Die Vertiefung 16 ist unmittelbar in den Kolben eingebracht. Natürlich wäre es auch möglich, hier ebenfalls einen Einsatz zu verwenden. Der Boden 17 kann wie bei der Ausführungsform der 1 und 2 auch glatter sein als der Restbereich.

Claims

Hubkolbenverdichter, insbesondere Kältemittelverdichter, mit einem Zylinder, der zusammen mit einer stirnseitig am Zylinder angeordneten Ventilplatte und einem bewegbaren Kolben einen Druckraum begrenzt, wobei die Ventilplatte mindestens eine Saugöffnung aufweist, die mit einem auf einer dem Kolben zugewandten Seite der Ventilplatte angeordneten Saugventilelement zusammenwirkt, welches mit einem ersten Ende an der Ventilplatte befestigt ist, wobei der Kolben auf seiner der Ventilplatte zugewandten Stirnseite einen Anschlagbereich für das Saugventilelement aufweist und wobei das Saugventilelement mit seinem zweiten Ende zumindest über einen Teil des Hubs des Kolbens am Anschlagbereich anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagbereich (11) zum reibungsarmen Gleiten des zweiten Endes des Saugventilelementes (8) eine Beschichtung oder einen Einsatz oder eine geringere Rauhigkeit als der Restbereich (13) der Stirnseite des Kolbens (5) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagbereich (11) eine größere Härte als der Restbereich (13) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (15) oder die Beschichtung (20) aus Keramik oder Polytetrafluorethylen gebildet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) im Anschlagbereich (11) eine Vertiefung (16) mit einem in den Restbereich (13) übergehenden Boden (17) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (17) eine Neigung aufweist, die der Neigung des Saugventilelements (8) im Moment des Auftreffens entspricht.
Verdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (17) eine Krümmung aufweist.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung konvex ist.
Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung des Bodens einen kreisbogen- oder ellipsenförmigen Verlauf aufweist.
Verdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (17) ein geräuschdämmendes Material aufweist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (16) in Draufsicht die Form eines Kreisabschnitts aufweist.