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Kompressorventil
Die Erfindung betrifft ein Kompressorventil mit einem Ventilgehäuse und wenigstens einer ringförmigen elastischen Ventilplatte, die einen als Einlassventil und einen als Auslassventil wirksamen
Ringabschnitt sowie einen Ringabschnitt zur Einspannung der Ventilplatte im Ventilgehäuse aufweist.
Derartige Kompressorventile lassen sich mit geringstem schädlichem Raum in einen üblichen
Kompressor einbauen und ermöglichen damit höchste Kompressionsverhältnisse bzw.-drücke.
Bei den bekannten Kompressorventilen dieser Art ist der Einspannabschnitt ausserhalb des
Einlassabschnittes und dieser ausserhalb des Auslassabschnittes angeordnet. Da Auslass und
Einlassabschnitt nur eine gemeinsame Ventilbewegung gegenüber einem festen Ventilsitz ausführen können, ist zur Ausführung der zweiten Ventilbewegung ein beweglicher Sitz vorgesehen. Dies kompliziert die Konstruktion und lässt nur sehr niedrige Hubfrequenzen zu, da bei höheren Hubfrequenzen die Ventilplatte von den Schlägen des beweglichen Sitzes zerstört wird.
Ziel der Erfindung ist ein Kompressorventil mit geringstem Schadraum für höchste Hubfrequenzen, beispielsweise 3000 bis 6000 t/min, d. h. also Drehzahlen, wie sie heute vielfach bei
Rotationskompressoren üblich sind. Dieses Ziel wird im wesentlichen durch die einfache Massnahme erreicht, dass der Einspannabschnitt zwischen Einlassabschnitt und Auslassabschnitt angeordnet ist. Dadurch nämlich, dass der Einspannabschnitt zwischen Auslass-und Einlassabschnitt liegt, werden zwei unabhängig bewegliche Ventilabschnitte gebildet, die mit festen Ventilsitzen zusammenwirken können.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Auslassabschnitt ausserhalb und der Einlassabschnitt innerhalb des Einspannabschnittes angeordnet. Bei gleicher Elastizität von Einlass-und Auslassabschnitt weist der äussere Ringabschnitt die grössere Fläche auf und kann durch den Ventilsitz leichter mittelbar gekühlt werden.
Bei der bekannten Konstruktion mit beweglichem Einlasssitz liegen beide Ventilsitze auf derselben Seite der Ventilplatte, um eine klare Führung der Einlass-und Auslasskanäle zu erhalten. Dagegen wird die klare Kanalführung bei der Erfindung dadurch ermöglicht, dass das Ventilgehäuse auf jeder Seite von der Ventilplatte eine Sitzfläche, eine Spannfläche und eine Fangfläche für die Ventilplatte aufweist, wobei jeder Sitzfläche eine Fangfläche gegenüberliegt. Dabei wird dadurch, dass jeweils zwischen Spannfläche und Fangfläche eine schmale Ringnut vorgesehen ist, eine Sauberhaltung der Fangflächen bewirkt, weil die Ventilplatte auf die gesamte Fangfläche schlagartig auftrifft.
Demgegenüber ist aus der USA-Patentschrift nur eine von der Spannfläche zurückgesetzte Fangfläche bekannt, die ein Abfedern des beweglichen Ventilsitzes durch die Ventilplatte ermöglichen und harte Schläge auf die Fangfläche vermeiden soll.
Eine besonders für Gegenkolbenkompressoren geeignete Ausführungsform der Erfindung mit verdoppelter Leistung lässt sich durch verhältnismässig geringen Mehraufwand, nämlich mit einer zweiten Ventilplatte und einer flachen gemeinsamen Sitzplatte erreichen. Weiters besteht die einfache Möglichkeit, durch schwach konische Spannflächen des Ventilgehäuses eine gewisse Vorspannung der Ventilplatte gegen die Sitzflächen des Ventilgehäuses vorzusehen. Auf diese Weise ergibt sich leicht eine Ausführungsform, bei welcher die gestreckte ebene Ventillage bei jedem Ventilhub durchschritten und
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ein schnappender Schnellschluss des Ventils bewirkt wird.
Die kreisringförmige Ventilplatte besteht vorzugsweise aus 0, 1 bis 0, 2 mm starkem Metallblech, und das erfindungsgemässe Ventil lässt sich, wie die nachstehenden Zeichnungen zeigen, in
Kolbenkompressoren verschiedenster Bauart einsetzen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Ausbildung besteht darin, dass die Ventilführungen und Ventilsitze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen können.
Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen ; es zeigen : Fig. l einen Axialschnitt durch den Oberteil eines Zylinders mit in Ansicht gezeichneten Kolben eines Kolbenkompressors ; Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Zylinderdeckel in Blickrichtung der Pfeile 2-2 aus Fig. l ; Fig. 3 eine Teilansicht der Ventilplatte aus Fig. l ; Fig. 4 eine Teilansicht des Zylinders aus Fig. l in Blickrichtung der Pfeile 4-4 ; Fig. 5 einen Axialschnitt durch den Oberteil eines Zylinders mit in Seitenansicht dargestellten Kolben eines Kolbenkompressors in abgewandelter Ausführung ; Fig. 6 einen Axialschnitt durch den Oberteil eines Zylinders eines Membrankompressors mit erfindungsgemässer Ventilanordnung ;
Fig. 7 einen Axialschnitt durch den Mittelteil eines Doppelkolbenkompressors mit von der Seite gesehenen Kolben und einer erfindungsgemässen Ventileinrichtung ; Fig. 8 ein Detail im Axialschnitt einer abgewandelten Ventileinrichtung eines Kompressors gemäss Fig. l und Fig. 9 einen der Fig. 8 entsprechenden Schnitt durch eine Abwandlung der Ventileinrichtung für einen der Fig. 6 entsprechenden Kompressor.
Bei den dargestellten Kompressoren handelt es sich um sogenannte Kolbenkompressoren mit einem hin-und hergehenden Kolben oder einer Membran, welche durch irgendeine geeignete Anordnung, wie einen Kurbelmechanismus, einen Nockenmechanismus, einen Exzenter oder einen durch Verbrennungsgase betätigten Kolben, ein Hydraulikmotor, ein Solenoid oder eine andere elektrische Einrichtung in jedem Fachmann bekannter Weise hin-und herbewegt werden kann. Die Art und Weise, wie der hin-und hergehende Kolben angetrieben wird, bildet keinen Teil der Erfindung und wird daher weder beschrieben noch dargestellt. Der in Fig. l in seiner einen Ausführung dargestellte Kompressor besteht aus einem Zylinder--10--mit einer zylindrischen Bohrung deren Ende durch einen Zylinderdeckel--12--verschlossen ist.
Der Zylinder und der Zylinderdeckel können aus irgendeinem geeignetem Werkstoff, beispielsweise Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder Gusseisen bestehen. Ein zweites Organ, wie beispielsweise ein hin-und hergehender Kolben
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öffnet sich in eine Kreisringfläche --17-- an der Unterseite des Zylinderdeckels--12--, wobei diese Ringfläche einen Ventilsitz für ein Einlassventil bildet. Der Deckel--12--besitzt ausserdem eine Ringnut--18--, welche tief in den Werkstoff des Deckels hineingeht und die Bohrlöcher--15-- umgibt und dadurch eine Barriere gegenüber dem Wärmefluss vom Aussenteil--19--des Zylinderdeckels zum Mittelteil desselben, in welchem die Einlasskanäle ausgebildet sind, bildet.
Der Teil --19-- ist mit einem Flansch--38--am oberen Ende des Zylinders--10--durch eine Anzahl von Schraubbolzen --20-- festgeschraubt. Eine Ringleitung --21-- ist in diesem Teil-19ausgebildet, an welche eine nicht dargestellte Druckleitung in--22--angeschlossen werden kann. An der Unterseite des Teiles--19--ist eine schwach konische kreisringförmige Fläche vorgesehen, welche eine Ventilführung--23--für ein Auslassventil bildet.
Die Oberkante des Zylinders-10-hat neben der Zylinderbohrung--11--eine schwach konische Ringfläche--24--, welche eine Ventilführung für ein Einlassventil bildet und eine äussere kreisringförmige Fläche--25--, welche einen Ventilsitz für ein Auslassventil bildet. Die Flächen--17 und 23--am Ventildeckel sind durch eine durchgehende Ringfläche --26-- und die Flächen--24 und 25--sind in gleicher Weise durch eine Fläche --27-- voneinander getrennt. Die Flächen--24, 25 und 27-sind durch Radialrillen - 28--unterbrochen.
Zwischen den Ringflächen--26 und 27--des Zylinderdeckels und des Zylinders wird eine dünne kreisringförmige Ventilplatte --29-- festgehalten. Dabei teilt ein kreisringförmiger Zwischenabschnitt--30--dieser Ventilplatte, welcher zwischen den Flächen--26 und 27- eingeklemmt ist, diese Ventilplatte--29--in einen inneren Kreisring-31--, welcher das Einlassventil bildet, und einen äusseren Kreisring--32--, welcher das Auslassventil bildet.
Vorzugsweise wird die kreisringförmige Ventilplatte --29-- als Stahlscheibe mit einer Stärke
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zwischen 0, 1 und 0, 2 mm ausgebildet, welche nachgiebig und unter der Einwirkung des Druckes des Arbeitsmediums auf die Teile-31 und 32-verbiegbar ist, so dass diese Teile sich von den Ventilsitzen-17 bzw. 25-zu den Ventilführungen --24 bzw. 23-bewegen können, wenn während des Betriebes des Kompressors der Arbeitsmitteldruck auf sie einwirkt.
Unmittelbar an der Aussenseite der Ringfläche --26-- im Zylinderdeckel ist eine schmale Ringnut --33-- ausgebildet und eine gleichartige schmale Ringnut --34-- ist im Zylinder unmittelbar innerhalb der Ringfläche --27-- ausgebildet. Die besondere Bedeutung dieser Ringnuten besteht darin, dass durch sie das Ventil und die Ventilführungen von Ablagerungen freigehalten werden, welche die einwandfreie Funktion des Ventils behindern könnten.
Bei infolge einer Abwärtsbewegung des Kolbens --13-- in Fig. 1 in der Kammer-14- erzeugtem Unterdruck biegt sich der Einlassabschnitt--31--des Ventils--29--nachgiebig vom Sitz --17-- zur Ventiflührung --24-- hin, so dass Luft oder Gas durch die Bohrungen-15und die Nut --16-- einströmen kann. Beim Aufwärtshub des Kolbens --13-- schliesst das Einlassventil die Einlassöffnungen, da der Einlassventilabschnitt--31--sich auf die Nut--16-legt und mit dem Zylinderdeckel längs einer schmalen Ringfläche --35-- der Ventilplatte eine Dichtung bildet.
Wenn der Druck in der Arbeitskammer --14-- einen bestimmten Wert erreicht hat, öffnet sich der Auslassventilabschnitt --32-- und das komprimierte Arbeitsmedium kann durch die Radialrillen --28-- in die Ringleitung --21-- entweichen und aus dieser in die in-22- angeschlossene Abgabeleitung. Das Auslassventil bildet normalerweise eine Dichtung mit der Oberkante des Zylinders-10-längs einer kreisringförmigen Fläche-36-der Ventilplatte.
Die Radialrillen - und der Zwischenraum zwischen der konischen Fläche --24-- und dem Einlassventilabschnitt --31-- bilden den Schadraum des Kompressors zusammen mit einem geringen Spielraum zwischen dem Boden des Kolbens --13-- und dem Zylinderdeckel-12--. Dadurch ist es infolge der erfindungsgemässen Ausbildung möglich, einen Kompressor mit einem sehr kleinen Toleranzfeld zu schaffen und ein Arbeitsmedium, wie beispielsweise Luft, auf 10 bis 18 Atmosphären über Atmosphärendruck bei einer einzigen Kompressionsstufe zu verdichten.
Zwischen der Oberkante des Zylinders --10-- und dem Zylinderdeckel--12--ist ausserhalb der Schraubbolzen--20-ein dünner Metallring oder eine Packung --37-- vorgesehen, welche die gleiche Stärke wie die Ventilplatte--29--besitzt. Die vorbeschriebene Ventileinrichtung hat sich in langen Betriebsprüfungen als äusserst wirkungsvoll erwiesen und erlaubt den Betrieb eines Kompressors mit beträchtlich höheren Drehzahlen als dies bisher bei Kolbenkompressoren praktisch durchführbar war.
Die Ventileinrichtung hat durchaus zufriedenstellen bei 3000 und 6000 Umdr/min des Kompressors gearbeitet. Gleichzeitig war die volumetrische Leistung des Kompressors recht hoch.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der in den Fig. l bis 4 dargestellten Kompressorausbildung, wobei die der Fig. l entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals beschrieben werden. Bei dieser Ausführung nach Fig. 5 besitzt der Zylinder--10--einen Radialflansch--38-mit einer Anzahl von Kühlluftöffnungen--39--. Die Ventiführung --24-- und der Ventilsitz - sind hiebei auf einer besonderen Scheibe --40-- ausgebildet, in welcher die Rillen
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anliegt, eine Anzahl von Rillen oder Kanäle --41-- besitzt, welche mit den Öffnungen --39-- in Verbindung stehen, so dass Kühlluft an der Unterseite der Scheibe-40-entlangströmen kann, um diesen Teil und das vom Kompressor abgegebene Arbeitsmedium zu kühlen.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 ist ausserdem ein Membranbalg--42--vorgesehen, welcher mit einem kreisringförmigem Ansatz-43-in die Nut-16-zum Einlassventilabschnitt--31- hinragt. Dieser Balg-42--ist über eine Leitung --44-- mit einer Druckmittelleitung verbunden, welche mit einem Druckmittel unter Steuerung eines Entlastungsventils gespeist werden kann. Wenn durch die Leitung--44-dem Balg--42--das Druckmittel zugeführt wird, drückt der Ring - 43-- den Einlassventilabschnitt --31-- nach unten gegen die Ventilführung und hält das Ventil offen, so dass der Kompressor entlastet wird. Dieser Membranbalg-42-ist im Ringraum--45im Zylinderdeckel --12-- angeordnet und an der Oberkante dieses Ringraumes --45-- befestigt.
Die Ventilplatte --29-- ist im übrigen in der gleichen Weise wie bei der Ausführung nach Fig. l ausgebildet.
Bei der Ausbildung nach Fig. 6 besteht der Kompressorkolben aus einer Membran --46-- aus Gummi oder einem andern geeigneten Werkstoff, welche zwischen einer Scheibe --47-- und einem Pilzkolben-48-mittels einer Schraube --49-- eingeklemmt ist. Die Membran --46-- wird ausserdem zwischen einer Ringscheibe --50-- und dem Ringflansch --38-- des Zylinders --10-eingeklemmt. Diese Ringscheibe --50-- und die Membran --46- werden zwischen dem
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Zylinderdeckel --12-- und dem Flansch --38-- mittels in Fig. 6 nicht dargestellter Schrauben --20-- fixiert.
Bei dieser Ausführung sind die Bohrungen --15-- und die Nut --16-- dicht an der Aussenkante des Zylinderdeckels -12-- vorgesehen und die Ventilplatte --29-- weist einen Einlassabschnitt --51-- und einen Auslassabschnitt --52-- auf, wobei das Einlassventil im Gegensatz zu Fig. l den Aussenabschnitt der Ventilplatte bildet, welche mit einem Zwischenabschnitt - zwischen dem Zylinderdeckel --12-- und einer in einer Vertiefung --54-- in der Ringscheibe --50-- eingesetzten Ringscheibe --70-- festgehalten wird.
Die Ringscheibe-70besitzt eine Anzahl von Radialrillen --55-- an ihrer Unterseite, welche, bevor sie die Aussenkante der Scheibe--70--erreichen, die schwach konische Fläche --56-- schneiden, welche eine Ventilführung für den Einlassventilabschnitt --51-- bildet. Wenn der Einlassventilabschnitt--51-- geöffnet ist, wird infolgedessen ein Durchlass von den Bohrungen --15-- durch die Nut--16--, den Aussenteil der Vertiefung --54-- und die Rillen-55-zur Arbeitskammer-14freigegeben. Der Deckel --12-- besitzt eine leicht konische Fläche--57--, welche eine Ventilführung für den Auslassventilabschnitt --52-- bildet. Der Ventilsitz des Einlassventilabschnittes - wird durch den Zylinderdeckel--12--gebildet und der Ventilsitz für den Auslassventilabschnitt --52-- ist an der Ringscheibe --70-- ausgebildet.
Die Dichtflächen der Ventilplatte für den Einlassventilabschnitt sind inzend die für den Auslassventilabschnitt in - angedeutet. Ein besonderer Mittelkörper --58-- ist am Zylinderdeckel --12-- befestigt und ergibt Auslasskanäle --59--, welche mit der Abgabeleitung in-22-in Verbindung stehen.
In Fig. 7 ist eine dritte Ausführung eines erfindungsgemässen Kompressorventils für einen Doppelkolben-Kompressor dargestellt. Dieser Kompressor besitzt zwei Zylinder--10, 10--sowie zwei in den Bohrungen --11-- dieser beiden Zylinder --10-- gegenläufig hin- und herbewegbare Kolben--13, 13--. Die beiden Zylinder besitzen Radialflansche--38 und 60--, welche durch Schrauben --20-- verbunden sind. Zwischen den Flanschen-38 und 60-ist eine Platte - eingesetzt, welche an der Ober-und Unterseite Rillen--28--entsprechend denen im
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zwischen der Platte--61--und den Flanschen--38 und 60--eingesetzt.
Eine Anzahl von Einlasskanälen--62--in den beiden Zylindern--10--stehen mit einer Ringnut--63--in den Zylindern in Verbindung, welche in Schliesslage der Ventilplatte --29-- von dieser abgedeckt werden.
Durch diese Ausbildung ergibt sich ein Doppelkolben-Kompressor mit sehr kleinem schädlichem Raum in Beziehung zum Hubvolumen des Kompressors.
Fig. 8 zeigt eine Teilansicht einer Abwandlung der Ventileinrichtung gemäss Fig. l, wobei die Ventilplatte --29-- zwischen Ringflächen --66 und 67--festgehalten wird, welche schwach konisch sind, so dass das Ventil von Anfang an eine leicht konische Verformung erhält und in Schliesslage auf den leicht konischen Flächen--64 bzw. 65-- aufruht, welche die Sitze für den Einlassventilabschnitt--31--und den Auslassventilabschnitt--32--der kreisringförmigen Ventilplatte --29-- bilden.
Die konischen Flächen --66 und 67-entsprechen den Ringflächen - 26 und 27--in Fig. 1. Die Einlass- und Auslassabschnitte --31 und 32-werden in der gleichen Weise wie in Fig. l durch einen Zwischenabschnitt --30-- getrennt, welcher zwischen den konischen
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welche die Ventilplatte gebogen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kompressorventil mit einem Ventilgehäuse und wenigstens einer ringförmigen elastischen Ventilplatte, die einen als Einlassventil und einen als Auslassventil wirksamen Ringabschnitt sowie einen Ringabschnitt zur Einspannung der Ventilplatte im Ventilgehäuse aufweist, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass der Einspannabschnitt (30) zwischen Einlassabschnitt (31) und Auslassabschnitt (32) angeordnet ist.
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