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Die
Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter, insbesondere für Kältemittel,
mit einem Zylindergehäuse,
in dem mindestens ein Zylinderraum angeordnet ist, und einem Zylinderkopf,
der den Zylinderraum begrenzt und eine Ventilplatte aufweist mit
einer Saugventilanordnung, die mit einer Saugkammer in Verbindung
steht, und einer Druckventilanordnung, die mit einer von der Saugkammer
getrennten Druckkammer in Verbindung steht.
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Ein
derartiger Hubkolbenverdichter ist aus
US 6 206 655 B1 bekannt.
Der Zylinderkopf weist hierbei eine Ventilplatte auf, die auf dem
Zylindergehäuse
aufliegt und den Zylinderraum stirnseitig begrenzt. In der Ventilplatte
sind zwei Saugventile und zwei Druckventile angeordnet. Auf der
Ventilplatte liegt eine Dichtung auf, auf der wiederum ein Zylinderkopfdeckel
aufliegt. Die Dichtung dichtet den Raum zwischen der Ventilplatte
und dem Zylinderkopfdeckel mit Hilfe einer Umfangswand zunächst nach
außen
ab. Zwischen einander gegenüberliegenden
Umfangswandabschnitten ist ein Steg vorgesehen, der die Saugkammer
von der Druckkammer trennt. Der Zylinderkopfdeckel, die Dichtung,
die Ventilplatte und weitere Ventilelemente werden mit Hilfe von
Schrauben mit dem Zylindergehäuse
verbunden.
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Ein
weiterer Kältemittelverdichter
ist aus
DE 33 32 259
A1 bekannt. Hier weist der Zylinderkopf eine Ventilplatte
und einen Zylinderkopfdeckel auf, wobei der Zylinderkopfdeckel Ausnehmungen
aufweist, die eine Saugkammer und eine Druckkammer bilden.
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DE 38 20 929 A1 zeigt
eine Ventilplatte für eine
Fluidpumpe mit hin- und hergehendem Kolben, wie z.B. einem Luftkompressor
niedriger Kapazität. Die
Ventilplatte weist eine Metallplatte auf, die eine Einlaßöffnung und
eine Auslaßöffnung aufweist.
Für beide Öffnungen
sind Ventilblätter
vorgesehen, die in Abhängigkeit
von einer Saug- oder einer Druck-Bewegung des Kolbens die entsprechenden Öffnungen freigeben
oder verschließen.
Auf die Oberseite dieser Metallplatte ist eine flache Dichtung aufgelegt,
die einen diagonalen Steg aufweist, der auch den Zylinderkopf abdichtet,
um eine Einlaßkammer
im Zylinderkopf oberhalb der Einlaßöffnung gegen eine Auslaßkammer
im Zylinderkopf oberhalb der Auslaßöffnung abzudichten.
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DE 41 31 886 C2 zeigt
eine Ventilplatte eines Kompressors, in der ein Kühlmittelraum
mit einer Zu- und einer Abströmöffnung angeordnet
ist, zwischen denen in Strömungsrichtung
hintereinanderliegende Druckventilbohrun gen vorgesehen sind. Die
Druckventilbohrungen weisen jeweils eine eigene Ummantelung auf
und sind durch einen quer zur Strömungsrichtung verlaufenden
Kühlkanal
voneinander getrennt. In einem anderen Bereich der Ventilplatte
sind Saugventilöffnungen
vorgesehen. Die Ventilplatte ist auf ihrer Oberseite und auf ihrer
Unterseite eben ausgebildet.
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Derartige
Ausbildungen haben sich prinzipiell bewährt. Sie sind einfach herzustellen
und in der Regel bis zu gewissen Anforderungen zuverlässig im Betrieb.
Das Kältemittelgas
wird durch die Saugkammer angesaugt. Es strömt während des Saughubs des Kolbens
aus der Saugkammer durch die Saugventilanordnung in den Zylinderraum.
Nach dem Verdichten wird das Gas durch die Druckventilanordnung
in die Druckgaskammer gedrückt.
Die beiden Ventilanordnungen sorgen dabei dafür, daß das Gas den richtigen Weg
nimmt.
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Bei
Verdichtern, die mit hohen Arbeitsdrücken oder hohen Druckdifferenzen
zwischen der Saugkammer und der Druckkammer arbeiten, ergibt sich
allerdings ein Problem bei der Abdichtung zwischen der Saug- und
der Druckseite. Ein Überströmen von
Kältemittelgas
aus der Druckkammer in die Saugkammer verringert den Wirkungsgrad
des Verdichters. Dies ist besonders kritisch bei Kälteanlagen,
die mit Kältemitteln
betrieben werden, die eine hohe volumetrische Kälteleistung aufweisen. Wenn man
beispielsweise CO2 (Kohlendioxid) als Kältemittel
verwendet, muß man
zur Erzielung der gleichen Kälteleistung
ein geringeres Gasvolumen verdichten als bei anderen Kältemitteln.
Aus diesem Grunde kann man das Volumen des Zylinderraumes verkleinern,
beispielsweise durch eine Verringerung des Zylinderdurchmessers.
Bei einer Verkleinerung des Zylinderdurchmessers verringert sich
jedoch auch der Platz, der für
die Saugöffnung
und die Drucköffnung und
vor allem für
die Saugventile und die Druckventile zur Verfügung steht. Die entsprechenden Öffnungen
müssen
daher näher
zusammengerückt
werden, was eine sichere Abdichtung weiter erschwert. Man könnte natürlich auch
den Durchmesser der Öffnungen
verkleinern. Dies würde
jedoch zu einer Erhöhung
des Strömungswiderstandes
und damit der Druckverluste führen,
was sich wieder negativ auf den Wirkungsgrad des Verdichters auswirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abdichtung zwischen der
Saug- und der Druckkammer zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Hubkolbenverdichter der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß die
Ventilplatte auf der dem Zylinderraum abgewandten Seite einen Vorsprung
aufweist, der die Saugkammer von der Druckkammer trennt.
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Damit
wird die Abdichtung zwischen der Saugkammer und der Druckkammer
in die Ventilplatte integriert. Der Vorsprung ist einstückig mit
der Ventilplatte ausgebildet, d.h. er ist sicher an der Ventilplatte
befestigt.
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Zwischen
der Ventilplatte und dem Vorsprung ist kein Durchtritt von Gas möglich. Man
kann daher den Vorsprung an seinem Fuß, d.h. dem Übergang
in die Ventilplatte, relativ dünn
machen, so daß man
die Saugöffnung
und die Drucköffnung
relativ dicht nebeneinander plazieren kann, ohne Probleme mit einer
Abdichtung wegen einer zu geringen Dichtungsbreite zu bekommen.
Die erforderliche Mindestbreite des Vorsprungs und damit der Mindestabstand zwischen
der Saug- und der Drucköffnung
hängt also weitgehend
von dem Verhältnis
der Arbeitsdrücke zur
Festigkeit des Werkstoffs der Ventilplatte ab. Darüber hinaus
ergibt sich durch die Integration der Dichtung in die Ventilplatte
ein weiterer Vorteil. Die Ventilplatte wird mechanisch versteift.
Da sich diese Versteifung zwischen der Saugöffnung und der Drucköffnung befindet,
ist sie praktisch automatisch im Bereich des größten Durchmessers des Zylinders
angeordnet, d.h. in einem Bereich, der für Verformungen besonders anfällig ist.
Durch die Versteifung ist die Gefahr von Verformungen deutlich herabgesetzt.
Dadurch wird die Abdichtung weiter verbessert. Die Ventilplatte
muß die
Saug- und Druckventile nicht unbedingt integriert haben. Es reicht
aus, wenn sie als Träger
für die
Saug- und Druckventile
dient, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Vorzugsweise
ist die Dicke der Ventilplatte im Bereich der Druckventilanordnung
kleiner als im Bereich der Saugventilanordnung. Damit läßt sich
das Volumen des schädlichen
Raumes des Verdichters verringern, so daß sich der Wirkungsgrad des
Verdichters weiter erhöhen
läßt. Die
Verringerung der Dicke der Ventilplatte ist möglich, weil die mechanische Beanspruchung
durch die im Zylinderraum herrschenden Drücke nun weitgehend von dem
Vorsprung der Ventilplatte aufgenommen werden kann.
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Vorzugsweise
weist die Druckventilanordnung eine Drucköffnung in die Druckkammer auf,
die dem Vorsprung benachbart ist. Die Drucköffnung ist ein "Loch" in der Ventilplatte,
das die Ventilplatte schwächt.
Wenn man nun diese Schwächung
mit der Verstärkung
durch den Vorsprung zusammenbringt, dann wird diese Schwächung weitgehend
kompensiert. Darüber
hinaus kann man den Vorsprung dann unter Umständen verwenden, um das durch
die Drucköffnung
tretende Gas zu leiten. Damit lassen sich günstige Strömungsverhältnisse erzielen.
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Vorzugsweise
sind die Saugkammer und/oder die Druckkammer in Umfangsrichtung
von Wänden
begrenzt, die durch von der Ventilplatte ausgehende Vorsprünge gebildet
sind. Damit ist nicht nur die Trennwand zwischen der Saugkammer
und der Druckkammer in die Ventilplatte integriert, sondern auch
die Umfangswände
dieser beiden Kammern. Auch diese Umfangswände lassen sich dann mit einer
relativ hohen Festigkeit ausgestalten, die der Festigkeit der Ventilplatte
insgesamt entspricht, so daß man
insbesondere im Bereich der Druckkammer relativ hohe Drücke erzielen
kann.
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Vorzugsweise
weist der Zylinderkopf einen Deckel auf, der zumindest an seiner
der Ventilplatte zugewandten Unterseite eine ebene Fläche aufweist. Dies
erleichtert die Fertigung. Ein derartiger Deckel läßt sich
insbesondere dann verwenden, wenn sowohl die Saugkammer als auch
die Druckkammer von Wänden
umgeben sind, die in die Ventilplatte integriert sind.
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Vorzugsweise
weist zumindest der Vorsprung, der die Saugkammer von der Druckkammer trennt,
am von der Ventilplatte abgewandten Ende eine größere Dicke auf als an der Ventilplatte.
Mit anderen Worten ist der Kopf des Vorsprunges dicker als sein
Fuß. Damit
kann man die Breite der Dichtlinie zwischen der Saugkammer und der
Druckkammer weiter vergrößern. Am
Kopf des Vorsprunges, wo der Deckel anliegt, hat man relativ wenige
Beschränkungen
im Hinblick auf den zur Verfügung
stehenden Raum. Dieser Raum ist nicht durch die Positionierung der
Saugöffnung
und der Drucköffnung
begrenzt. Dementsprechend läßt sich
hier die Abdichtung zwischen der Saugkammer und der Druckkammer
weiter verbessern.
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Vorzugsweise
bildet der Vorsprung zwischen der Saugkammer und der Druckkammer
zumindest abschnittsweise eine Doppelwand mit zwei Wandabschnitten,
zwischen denen ein Gasvolumen angeordnet ist. Durch dieses Gasvolumen
wird eine gute thermische Isolierung zwischen der Saugkammer und
der Druckkammer erreicht. Das in die Saugkammer eingesaugte Gas
wird nicht so stark durch die heiße Begrenzungswand der Druckkammer
erwärmt,
was sich positiv auf den volumetrischen Wirkungsgrad des Verdichters
auswirkt. Durch die Doppelwand ergibt sich eine noch bessere mechanische Verstärkung der
Ventilplatte.
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Bevorzugterweise
weist die Saugventilanordnung eine Saugöffnung zur Saugkammer auf,
die zumindest teilweise in dem Vorsprung zwischen der Saugkammer
und der Druckkammer angeordnet ist. Dadurch kann der Vorsprung insgesamt
breiter ausgebildet werden als es dem Abstand zwischen der Saug-
und der Drucköffnung
entspricht. Auch diese Maßnahme
ermöglicht
eine breitere Berüh rungszone zwischen
dem Vorsprung und dem Deckel, also eine verbesserte Dichtung.
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Vorzugsweise
ist die Saugventilanordnung über
eine mit Kunststoff ausgekleidete Saugstrecke mit einem Gasvorrat
verbunden. Der Kunststoff bildet einen thermischen Isolator, so
daß man
eine unerwünschte
Erwärmung
des angesaugten Gases vermeiden kann. Die Saugstrecke ist also so
ausgebildet, daß das
angesaugte Gas mit den metallischen und heißen Teilen der Ventilplatte
möglichst
wenig Kontakt bekommt. Auch dadurch wird eine weitere Verbesserung
des Wirkungsgrades des Verdichters erreicht.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß die Saugstrecke
durch einen Saugschalldämpfer
gebildet ist. Die Saugöffnung
ist also direkt mit dem Ausgang des Saugschalldämpfers verbunden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht eines Verdichters,
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2 eine
Schnittansicht II-II nach 1,
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform und
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4 eine
dritte Ausführungsform
in einer 2 entsprechenden Ansicht.
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1 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht einen Kältemittel-Hubkolbenverdichter 1 mit einem
Zylindergehäuse 2,
in dem ein Zylinderraum 3 angeordnet ist. Im Zylinderraum 3 ist
ein Kolben 4 auf und ab bewegbar. Der hierfür erforderliche
Antrieb ist an sich bekannt und daher nicht näher dargestellt. Die Bewegungsrichtung
des Kolbens 4 ist durch einen Doppelpfeil 5 angedeutet.
Durch die Bewegung des Kolbens 4 wird der Zylinderraum 3 vergrößert oder
verkleinert.
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Der
Verdichter 1 weist weiterhin einen Zylinderkopf 6 auf,
der eine Ventilplatte 7 und einen Deckel 8 aufweist.
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In
der Ventilplatte ist eine Saugöffnung 9 angeordnet,
die durch ein Saugventil 10 verschließbar ist. Über die Saugöffnung 9 steht
der Zylinderraum 3 mit einer Saugkammer 11 in
Verbindung, die im Zylinderkopf 6 ausgebildet ist.
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Ferner
weist die Ventilplatte 7 eine Drucköffnung 12 auf, die
durch ein Druckventil 13 verschließbar ist. Über die Drucköffnung 12 steht
der Zylinderraum 3 mit einer Druckkammer 14 in
Verbindung, die ebenfalls im Zylinderkopf 6 ausgebildet
ist.
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Zwischen
der Saugkammer 11 und der Druckkammer 14 weist
die Ventilplatte einen Vorsprung 15 auf, der einstückig mit
der Ventilplatte 7 verbunden ist. Ferner weist die Ventilplatte 7 im
Bereich ihres Randes einen umlaufenden Vorsprung 16 auf,
der mit dem Vorsprung 15 zwischen der Saugkammer 11 und
der Druckkammer 14 verbunden ist. Die beiden Vorsprünge 15, 16 umgrenzen
also die Saug kammer 11 und die Druckkammer 14.
Der Deckel 8 liegt auf den Vorsprüngen 15, 16 auf,
so daß die
Saugkammer und die Druckkammer 14 zusätzlich durch die Ventilplatte 7 und
den Deckel 8 begrenzt sind.
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Die
Kontaktfläche
zwischen dem Vorsprung 15 und dem Deckel 8 bildet
eine Dichtungszone 17 zwischen der Saugkammer 11 und
der Druckkammer 14. Die Breite der Dichtungszone 17 kann
noch dadurch vergrößert werden,
daß der
Vorsprung 15 an seinem oberen, d.h. von der Ventilplatte 7 abgewandten
Ende eine Verbreiterung 18 aufweist, wie dies gestrichelt
eingezeichnet ist.
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Die
Ventilplatte 7 hat im Bereich der Saugkammer 11 eine
Dicke s und im Bereich der Druckkammer 14 eine Dicke d,
wobei die Dicke d geringer ist als die Dicke s. Dadurch ist es möglich, die
Länge der
Drucköffnung 12 klein
zu halten. Die Drucköffnung 12 ist
ein Teil des sogenannten schädlichen Raumes
des Verdichters 1, d.h. das in diesem Raum befindliche
Gas wird zwar in der oberen Endlage des Kolbens 4 auf einen
höheren
Druck gebracht, jedoch nicht in die Druckkammer 14 ausgestoßen. Je
kleiner dieser schädliche
Raum ist, desto größer ist
der Wirkungsgrad des Verdichters. Durch die Verringerung der Dicke
d im Bereich der Druckkammer 14 läßt sich das Volumen dieses
schädlichen
Raumes verringern.
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Die
Verringerung der Dicke der Ventilplatte 7 im Bereich der
Druckkammer 14 ist möglich,
weil der Vorsprung 15 zu einer Versteifung der Ventilplatte 7 und
damit zu einer erhöhten
Widerstandsfähigkeit gegen
Verformungen beiträgt.
Dadurch, daß sich
die Ventilplatte 7 weniger verformen kann, ist auch eine bessere
Anlage an dem Deckel 8 möglich, d.h. das Risiko, daß es hier
zu Undichtigkeiten kommt, ist außerordentlich klein.
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Die
Saugöffnung 9 ist
zumindest teilweise im Vorsprung 15 zwischen der Saugkammer 11 und
der Druckkammer 14 angeordnet. Sie weist hierzu einen abgewinkelten
Verlauf auf. Wie insbesondere aus 2 zu erkennen
ist, hat diese Ausgestaltung den Vorteil, daß der Vorsprung 15 eine
Breite b aufweisen kann, die größer ist
als ein Abstand a zwischen der Saugöffnung 9 und der Drucköffnung 12.
Je breiter aber der Vorsprung 15, genauer gesagt die Dichtungszone 17 mit
dem Deckel 8, ist, desto besser ist die Abdichtung zwischen
der Saugkammer 11 und der Druckkammer 14.
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Die
Drucköffnung 12 ist
dem Vorsprung 15 eng benachbart. Die durch die Saugöffnung 12 bewirkte
Schwächung
der Ventilplatte 7 wird durch die Verstärkung, die durch den Vorsprung 15 bewirkt wird,
wieder kompensiert.
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Aus 2 ist
zu erkennen, daß die
Saugkammer 11 einen Sauganschluß 19 und die Druckkammer 14 einen
Druckanschluß 20 aufweist,
wobei das Gas, das im Zylinderraum 3 verdichtet wird, durch
den Sauganschluß 19 in
die Saugkammer 11 eintritt und durch den Druckanschluß 20 aus
der Druckkammer 14 austritt. Leitungen, die an die beiden
Anschlüsse 19, 20 angeschlossen
werden können,
sind an sich bekannt und werden daher nicht näher dargestellt.
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3 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
in einer Ansicht, die der der 2 entspricht. Gleiche
Teile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im
Unterschied zu der Ausgestaltung nach den 1 und 2 ist
hier der Vorsprung als Doppelwand mit zwei Abschnitten 15a und 15b ausgebildet,
wobei der Abschnitt 15b eine wesentlich größere Breite
als der Abschnitt 15a aufweist. Dies ist dadurch bedingt,
daß in
der Druckkammer 14 ein höherer Druck als in der Saugkammer 11 herrscht
und dementsprechend eine bessere Abdichtung der Saugkammer 14 zur
Umgebung hin erforderlich ist, das durch eine breitere Dichtzone
am Abschnitt 15b erreicht werden kann. Zwischen den beiden
Abschnitten 15a, 15b ist ein Gasvolumen 21 angeordnet,
das eine thermische Isolierung zwischen den beiden Wandabschnitten 15a, 15b bewirkt.
Diese thermische Isolierung bewirkt, daß der Abschnitt 15a eine
geringere Temperatur als der Abschnitt 15b aufweist. Der
Abschnitt 15b wird aufgrund der erhöhten Temperatur des auf erhöhten Druck
gebrachten Gases in der Druckkammer 14 heißer werden
als das in die Saugkammer 11 über den Sauganschluß 19 eingesaugte
Gas. Wenn das eingesaugte Gas erwärmt wird, dehnt es sich aus
und kann dementsprechend den Zylinderraum 3 nur mit einer
verringerten Masse des Gases füllen.
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Dargestellt
ist, daß das
Gasvolumen 21 zur Umgebung hin offen ist. In diesem Fall
kann permanent ein Austausch des in dem Gasvolumen 21 befindlichen
Gases mit der Umgebung erfolgen. Man kann das Gasvolumen 21 aber
auch abschließen
und gegebenenfalls evakuieren, um die thermische Isolierung zu verstärken.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
das weitgehend dem der 2 entspricht. Hinzugekommen
ist, daß ein
Saugschalldämpfer 22 in der
Saugkammer 11 angeordnet ist. Der Saugschalldämpfer 22 weist
einen Anschlußstutzen 23 auf,
der durch den Sauganschluß 19 geführt ist.
Der Saugschalldämpfer 22 ist
aus Kunststoff gebildet, der eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Der Saugschalldämpfer 22 weist
einen Anschlußstutzen 24 auf,
der unmittelbar in die Saugöffnung 9 geführt ist.
Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß das angesaugte Gas keinen
Kontakt mit heißen
metallischen Flächen
der Ventilplatte oder des Deckels bekommt. Es wird also nicht so
stark erwärmt,
so daß sich
der Wirkungsgrad des Verdichters 1 weiter verbessern läßt.
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Es
ist allerdings nicht in allen Fällen
notwendig, einen kompletten Saugschalldämpfer 22 in der Saugkammer 11 anzuordnen.
Man kann auch einfach die Saugkammer 11 mit einem Kunststoff
oder einer anderen thermischen Isolierung auskleiden und den Saugschalldämpfer außerhalb
des Zylinderkopfes 6 anordnen.