DE3702432C2 - Schraubenverdichter mit Hubventilen zur Leistungssteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schraubenverdichter gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Die Leistung eines Schraubenverdichters in Kälte- und Wärme­ pumpenanlagen wird gewöhnlich durch ein oder mehrere axial verschiebbare Schiebeventile gesteuert (siehe Fig. 1). Bei dem Verdichter kann es sich beispielsweise um einen Schrauben­ verdichter handeln. Wenn ein steuerbarer Schieberanschlag hin­ zugefügt wird, kann auch das eingebaute Volumen des Verdich­ ters verändert werden.

Es sind ferner Schraubenverdichter bekannt, bei denen Hubven­ tile oder Hubventilkolben die Leistung des Schraubenverdich­ ters steuern und das eingebaute Volumen verändern (siehe Fig. 2). Diese Hubventile sprechen schlagartig an und sind entweder offen oder geschlossen. Wenn diese Ventilkolben zur Arbeitskammer hin schließen, werden sie von dem Druck in der Arbeitskammer beaufschlagt, welcher, bedingt durch Pulsatio­ nen, Druckabfälle usw., größer sein kann als der Austritts­ druck des Verdichters und in der Nähe der Austrittsöffnung tatsächlich größer ist als der Austrittsdruck (siehe in Fig. 3 den Druck P2_k). Die auf die Hubventilkolben ausgeübte radial nach innen gerichtete Kraft muß daher größer sein als die von der Arbeitskammer her nach außen gerichtete Kraft, um ein si­ cheres Schließen der Hubventile zu gewährleisten und sie an einer unsteten (klappernden) Arbeitsweise zu hindern.

Ein solcher Schraubenverdichter ist aus der DE 31 18 312 A1 bekannt, bei dem ein oder mehrere Hubventile nacheinander in axialer Richtung des Rotors am Kompressionsteil angeordnet sind. Die Hubventile werden über Steuerventile betätigt, die ihrerseits durch unter Steuerdruck stehendes Öl betätigt wer­ den. Im geöffneten Zustand verbinden die Hubventile den Kom­ pressionsraum über einen Ablaßkanal mit dem Einlaß des Schrau­ benverdichters. Ein Drehen der Ventilkolben wird durch einen Stift verhindert, der in einer axialen Nut des Ventilkolbens geführt wird.

Aus der US 44 53 900 ist ein Schraubenverdichter bekannt, der ebenfalls zur Leistungssteuerung mit Hubventilen ausgerüstet ist. Die Betätigung der Hubventile erfolgt durch Öl, welches über Dreiwege-Ventile zugeführt wird. Wenn der Öldruck wegge­ nommen oder überwunden wird, wird der Ventilkolben radial nach außen geschoben, wodurch eine Verbindung zwischen benachbarten Windungen des Rotors hergestellt wird. Eine Drehung der Kolben wird auch hier durch einen seitlichen Stift, der in einer Nut des Kolbens geführt wird, verhindert. Kolben und Zylinderwand sind mit einer ineinander greifenden seitlichen Schulter ver­ sehen, durch die verhindert wird, daß der Kolben in den Kom­ pressionsraum hineinragen und mit dem Rotor in Berührung kom­ men kann. Durch diese Schulter ist die radial nach außen wei­ sende Fläche des Kolbens geringfügig größer als die radial nach innen weisende Fläche.

Aus der DE-Firmenschrift "Der Hydraulik Trainer", Mannesmann Rexroth, 1980, Seite 13, ist das physikalische Prinzip be­ kannt, mittels eines Stufenkolbens eine Druckverstärkung zu erzeugen.

Die einfache Konstruktion von Hubventilen ist besonders at­ traktiv für kleine Verdichter, die aus wirtschaftlichen Grün­ den billig und in ihrer Arbeitweise einfach sein müssen. Diese Verdichter haben daher häufig keine Ölpumpe oder andere Ein­ richtungen zur Druckerhöhung, und der Austrittsdruck des Ver­ dichters ist der höchste im System selbst vorkommende Druck außerhalb der Arbeitskammer des Verdichters. Daher soll dieser höchste Systemdruck die Bewegung der Hubventile steuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schraubenver­ dichter der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem ein zuverlässiges Schließen des Hubventils sichergestellt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Schraubenverdichter mit Hubventilen zur Leistungssteuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen genannt.

Durch die Erfindung wird sichergestellt, daß der auf die Hub­ ventile zur Regelung oder Steuerung der Leistung des Schrau­ benverdichters und zur Verstellung des eingebauten Volumens ausgeübte Druck ausreichend groß ist, um die Öffnungen in den zylindrischen Wänden des Verdichters durch die Hubventile zu verschließen. Wenn die Hubventile geschlossen sind, wird die Oberfläche, die an der Übergangsstufe zwischen den beiden Ab­ schnitten mit unterschiedlichem Durchmesser gebildet wird, von einem Druck beaufschlagt, der kleiner ist als der Druck, wel­ cher die Endflächen der Hubventile beaufschlagt. Durch ent­ sprechende Druckbeaufschlagung der axial gerichteten Fläche am Übergang zwischen den beiden, unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Abschnitten der Hubventilkolben wird eine ausrei­ chende Schließkraft sowohl bei offenen wie bei geschlossenen Hubventilen erzielt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Schraubenverdichter mit ei­ nem Schiebeventil,

Fig. 2 in einem Schnitt die Anordnung von Hubventilen in ei­ nem Schraubenverdichter gemäß der Erfindung,

Fig. 3 das Verhältnis zwischen Druck und Volumen in dem Ver­ dichter,

Fig. 4 und 5 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Ver­ dichters mit Hubventilen gemäß der Erfindung,

Fig. 6 und 7 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Er­ findung.

Im PV-Diagramm, in welchem der Verdichter optimal arbeitet, gilt (siehe Fig. 3)

Für diesen Idealfall ist ersichtlich, daß der Druckverlust an den Öffnungen zur Folge hat, daß der innere Druck des Verdich­ ters, also P1_k, P2_k, von dem Druck des Systems, P1 beziehungs­ weise P2, abweicht. P1 und P1_k sind der äußere und der innere Druck, welche auf das Hubventil zur Leistungssteuerung wirken. P2 und P2_k sind der äußere und der innere Druck, welche auf das Hubventil zur Steuerung des Auslasses, also des eingebau­ ten Volumens, wirken.

Bei Fluktuationen der Druckverhältnisse im Systems, was eher die Regel als eine Ausnahme ist, ist die Differenz P2_k - P2 groß, und es ist stets der Druck P2_k, welcher dazu neigt, das Hubventil zu öffnen, um das eingebaute Volumen zu verändern. Die Hubventile zur Leistungssteuerung arbeiten im Bereich zwi­ schen V1 bis V2, theoretisch also sicher unterhalb des Drucks P2. Örtliche Druckfluktuationen in der Arbeitskammer des Ver­ dichters können jedoch diesen Sicherheitsabstand auf einen kritischen Wert reduzieren, insbesondere beim Vorhandensein von Hubventilen nahe der Austrittsebene.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen einen Schraubenverdichter mit zwei zusammenarbeitenden Rotoren. Hubventile zur Leistungssteuerung 1 und für die Auslaßsteuerung (eingebautes Volumen) 2 sind in­ nerhalb entsprechender zylindrischer Wände des Verdichters an­ geordnet. Fig. 4 zeigt die Hubventile im geschlossenen Zu­ stand, wobei der innere Druck P2_k des Verdichters auf das Hub­ ventil 2 wirkt und ein niedrigerer Zwischendruck auf das Hub­ ventil 1 wirkt. Um den entsprechenden Kräften auf die Hubven­ tile entgegenzuwirken, sind diese an ihren radial äußeren Stirnflächen dem Systemdruck P2 ausgesetzt, der in der Praxis jedoch infolge von Druckverlusten und Undichtigkeiten etwas kleiner als der Druck P2_k ist. Um das innere Ende des Hubven­ tils 2 herum herrscht der Systemdruck P3. Der niedrigste Druck des Systems, der dem Ansaugdruck in dem Verdichter entspricht, herrscht gewöhnlich um das inneren Ende des Hubventils 1 herum bei 8 (Fig. 4).

Um sicherzustellen, daß die Kraft als Funktion des Druckes bei 5 beziehungsweise 6 größer ist als die Kraft als Funktion des Druckes bei 3 beziehungsweise 4, hat die zylindrische Wand des Hubventils 1, 2 unterschiedlich große Durchmesser an den entsprechenden Enden. Der Druck an der scharf definierten Stufe zwischen den beiden Abschnitten der Hubventile, welche Stufen senkrecht zur Achsrichtung stehende Flächen bei 9 be­ ziehungsweise 10 bilden, muß folglich geringer sein als der Systemdruck P2. Dies ist für den Kolben des leistungsregelnden Hubventils 1 offensichtlich erfüllt, vorausgesetzt, daß die Leckage des bei 6 vorhandenen Druckmittels durch den Spalt 12 kleiner ist als die Leckage durch den Spalt 14. Dies ist je­ doch stark abhängig von den Toleranzen und den Spaltflächen. Für das Hubventil 2 kann der Druck bei 7 größer als der Druck bei 5 sein, was auch häufig der Fall ist. Der bei 7 herr­ schende Druck muß daher von der Fläche 9 mittels eines Dich­ tungselementes 15 ferngehalten werden, während gleichzeitig der Druck bei 9 niedrig gehalten wird durch Anschluß dieses Raumes an ein Vacuum oder einen Zwischendruck über den Kanal 16. In der Oberfläche 14 des Zylinders oder Kolbens des Hub­ ventils 1 wird vorzugsweise eine Nut 17 angebracht, über wel­ che der Raum bei 10 mit dem Kanal 8 verbunden wird, in welchem - wie oben erläutert - ein Vacuum herrscht. Die umgebenden zy­ lindrischen Flächen 11 und 13 sind so beschaffen, daß sie zu den entsprechenden unterschiedlichen Durchmessern des Hubven­ tils 2 passen. Entsprechendes gilt für das Hubventil 1.

Fig. 5 zeigt die Hubventile in der nicht beaufschlagten Stel­ lung, in der die Räume 5 beziehungsweise 6 mit Druckniveaus verbunden sind, die niedriger sind, als der Druck, der in der Arbeitskammer an der entsprechenden Stelle für jedes Hubventil herrscht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 hat der Rotor zy­ lindrische Bohrungen, während die Hubventilebene Stirnflächen haben. Das verbleibende Volumen in dem Zylinder des Hubventils auf der Seite der Arbeitskammer ist ein schädlicher Raum der in vollem Umfange meßbare Verluste verursachen kann, zumindest unter bestimmten Arbeitsbedingungen. Aus diesem Grunde sollten die Stirnflächen der Hubventile die gleiche Form wie die Zy­ linderbohrung haben, wie dies in Fig. 6 der Fall ist. In die­ sem Falle müssen die Hubventile mit einer Führung versehen sein, die ihre Drehung verhindert. Dies wird in dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 7 dadurch erreicht, daß die beiden, unterschiedliche Durchmesser aufweisenden axialen Abschnitte des Hubventils, exzentrisch zueinander angeordnet sind.

Claims (6)

1. Schraubenverdichter mit Hubventilen zur Leistungssteue­ rung, mit welchen die Leistung des Kompressors und sein ein­ gebautes Volumen geändert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubventile (1, 2) aus zwei zylindrischen Abschnitten mit verschiedenem Durchmesser bestehen, welche Abschnitte exzentrisch zueinander angeord­ net sind, daß der Übergang zwischen den beiden Abschnitten scharf (stufenförmig) ausgebildet ist und eine axial ge­ richtete Fläche (9, 10) bildet, daß der Abschnitt mit dem kleineren Durchmesser radial innen in Bezug auf die Arbeits­ kammer des Kompressors liegt, daß der Abschnitt mit dem grö­ ßeren Durchmesser radial außen in Bezug auf die Arbeitskam­ mer des Kompressors liegt und so angeordnet ist, daß er von einem Steuerdruck beaufschlagt werden kann, der gleich groß oder kleiner als der Arbeitsdruck des Kompressors ist, und daß die genannte axial gerichtete Fläche an der Stufe zwi­ schen den beiden Abschnitten von einem Druck beaufschlagt wird, welcher kleiner als der Druck in der Arbeitskammer und kleiner als der maximale Steuerdruck ist.

2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenwand des Hub­ ventilkolbenabschnittes mit dem kleineren Durchmesser eine Nut (17) vorhanden ist, welche die axial gerichtete Stu­ fenfläche (10) am Übergang zwischen den beiden, unter­ schiedliche Durchmesser aufweisenden Hubventilkolbenab­ schnitten mit dem Niederdruckverbindungskanal (8) verbindet.

3. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zylinderwand, die den Hubventilkolbenabschnitt mit dem kleineren Durchmesser aufnimmt, eine Nut (17) vorhanden ist, welche die axial gerichtete Stufenfläche (10) am Übergang zwischen den bei­ den, unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Hubventilkol­ benabschnitten mit dem Niederdruckverbindungskanal (8) ver­ bindet.

4. Schraubenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt zwischen dem Hubventilkolbenabschnitt mit dem kleine­ ren Durchmesser und der umgebenden Zylinderwand eine Dich­ tung (15) vorhanden ist, welche die axial gerichtete Stu­ fenfläche (9) am Übergang zwischen den beiden, unterschied­ liche Durchmesser aufweisenden Hubventilkolbenabschnitten gegenüber dem Hochdruckverbindungskanal (7) abdichtet.

5. Schraubenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die axial gerichtete Stufenfläche (9) am Übergang zwischen den beiden unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Kolbenab­ schnitten des Hubventils (2) über einen Kanal (16) an ein Vacuum oder einen Zwischendruck anschließbar ist.

6. Schraubenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Arbeitskammer gerichtete Ende der Hubventile (1, 2) an die Form der der Arbeitskammer angepaßt ist.