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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Komprimieren
gasförmiger
Medien. Die Erfindung wird in Bezug auf einen Kompressor, insbesondere
für eine
Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs beschrieben, es wird jedoch darauf
hingewiesen, dass die Vorrichtung auch für andere Vorrichtungen zum
Komprimieren gasförmiger
Medien Anwendung finden kann.
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Derartige
Kompressoren oder Verdichter sind aus dem Stand der Technik für Klimaeinrichtungen
als Basisbestandteil derselben bekannt. Ebenso ist es aus dem Stand
der Technik bekannt, dass insbesondere die Kompressoren beziehungsweise
Kältemittelverdichter
eine große
Verlustquelle für
die Klimaanlage darstellen, insofern als sie zu einem signifikanten,
zusätzlichen
Energie- und somit Treibstoffverbrauch führen.
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Eine
Ursache für
diese energetischen Verluste sind unterschiedliche Irreversibilitäten, die
einerseits die Kompressorantriebsleistung erhöhen und andererseits die Wärmeleistung
erhöhen,
die an die Umgebung abzuführen
ist. Je nach dem eingesetzten Kältemittel,
teilen sich die Verluste im Kompressor unterschiedlich auf verschiedene
Verlustvorgängen
auf. Zu den bedeutendsten Verlustvorgängen zählen die hubunabhängige Reibleistung,
die hubabhängige
Reibleistung, die Verlustleistung durch innere Leckage, die Drosselverluste
am Saugventil sowie die Drosselverluste am Druckventil. Durch konstruktive Änderungen
am Aufbau des Kompressors können
gegenläufige
Auswirkungen auf die einzelnen Verlustvorgängen bewirkt werden.
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Beispielsweise
können
sich Maßnahmen
zur Verbesserung der inneren Dichtheit zwischen einer Volumen-Verdrängungseinrichtung,
insbesondere einem Kolben und der dieser zugeordneten Wandung, insbesondere
einer Zylinderwand gleichzeitig in einer Erhöhung der Reibleistung niederschlagen,
die einen Teil der Verbesserungen wieder zunichte macht.
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Wie
in intensiven Untersuchungen ermittelt werden konnte, wirken sich,
insbesondere bei hohen geförderten
Saugvolumenströmen,
das heißt,
bei einer hohen Drehzahl oder einem hohen Fördergrad des Kompressors sowie
bei Verwendung eines Kältemittels
mit relativ niedriger volumetrischer Kälteleistung wie beispielsweise
von R134a, insbesondere die Drosselverluste aus Saugventil nachteilig
aus.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, den Gesamtwirkungsgrad
eines Kompressors, insbesondere bei hohen Volumenströmen, dadurch
zu verbessern, dass der Druckverlust am Saugventil durch konstruktive
Maßnahmen
abgesenkt wird. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Komprimieren gasförmiger
Medien weist wenigstens einen Kompressionsraum auf, in den das gasförmige Medium
eintreten kann und aus dem das gasförmige Medium austreten kann.
Des weiteren ist wenigstens eine erste Ventileinrichtung mit wenigstens
einer ersten Öffnung
und wenigstens einer ersten, die erste Öffnung wenigstens zeitweise
im Wesentlichen bedeckenden Abdichteinrichtung vorgesehen, wobei die
erste Ventileinrichtung einen Eintritt des gasförmigen Mediums in den Kompressionsraum
erlaubt und einen Austritt des gasförmigen Mediums aus dem Kompressionsraum
im Wesentlichen verhindert.
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Daneben
ist eine zweite Ventileinrichtung mit wenigstens einer zweiten Öffnung und
wenigstens einer zweiten, die zweite Öffnung wenigstens zeitweise im
Wesentlichen bedeckenden Abdeckeinrichtung vorgesehen, wobei die
zweite Ventileinrichtung einen Austritt des gasförmigen Mediums aus dem Kompressionsraum
erlaubt und einen Eintritt des gasförmigen Mediums in den Kompressionsraum
im Wesentlichen verhindert.
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Erfindungsgemäß übertrifft
der freie Querschnitt einer Ventileinrichtung den freien Querschnitt der
anderen Ventileinrichtung erheblich.
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Unter
dem freien Querschnitt beziehungsweise dem engsten freien Querschnitt
wird die Oberfläche
beziehungsweise die Öffnung
umfänglich
begrenzende Mantelfläche
des geometrischen Raumes beziehungsweise Volumens verstanden, dessen Höhe durch
den Abstand der Abdeckeinrichtung (bei geöffnetem Ventil) von der Öffnung und
dessen Umfang durch den Umfang des Öffnungsquerschnittes des Ventils
definiert ist. Dabei muss der Abstand zwischen der Abdeckeinrichtung
und der Öffnung
nicht notwendigerweise konstant sein.
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Bevorzugt übertrifft
der freie Querschnitt der ersten Ventileinrichtung den freien Querschnitt
der zweiten Ventileinrichtung erheblich. Dies bedeutet, dass der
freie Querschnitt der Ventileinrichtung, die ein Ansaugen des gasförmigen Mediums
in den Kompressionsraum ermöglicht,
den freien Querschnitt der Ventileinrichtung, der einen Austritt
des gasförmigen
Mediums aus dem Kompressionsraum ermöglicht, erheblich übertrifft.
Also sind die entsprechenden Querschnitte beim Saugventil größer ausgelegt
als die Querschnitte beim Druckventil der Kompressionseinrichtung.
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Unter
einer Abdeckeinrichtung wird dabei eine Einrichtung verstanden,
die die ihr zugeordnete Öffnung
wenigstens zeitweise im Wesentlichen vollständig abdeckt und daher für die Öffnung in
diesem Zustand abdichtend wirkt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform übertrifft
der freie Querschnitt der einen Ventileinrichtung den freien Querschnitt
der anderen Ventileinrichtung wenigstens um einen Faktor 2; dies bedeutet,
dass bevorzugt der freie Querschnitt des Saugventils den freien
Querschnitt des Druckventils um wenigstens einen Faktor 2 übertrifft.
Vorzugsweise übertrifft
der freie Querschnitt der einen Ventileinrichtung den freien Querschnitt
der anderen Ventileinrichtung wenigstens um einen Faktor 2,5, bevorzugt
wenigstens um einen Faktor 3 und, besonders bevorzugt, wenigstens
um einen Faktor 4.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Vorrichtung eine gegenüber
dem Kompressionsraum beweglich angeordnete Kolbeneinrichtung auf,
wobei in Abhängigkeit
von der Bewegungsrichtung des Kolbens je ein Ventil schließt und eines
geöffnet
ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Abdeckeinrichtung als Lamelle ausgeführt. Bevorzugt
sind beide Abdeckeinrichtungen Lamellen. Diese sind, je nach Bewegungsrichtung
der Kolbeneinrichtung, gegenüber dem
Kompressionsraum entweder von den ihnen zugeordneten Öffnungen
beabstandet oder liegen im Wesentlichen an diesen an, so dass auf
diese Weise ein Durchtritt von Gas in einer Richtung durch die Öffnung verhindert
und in der anderen im Wesentlichen ermöglicht wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Ventileinrichtung, bevorzugt sind beide Ventileinrichtungen,
in einer Ventilplatte angeordnet. Diese Ventilplatte bildet den
Abschluss des Kompressionsraumes. Damit wird unter dem oben bezeichneten
Abstand zwischen der Öffnung und
der Abdeckeinrichtung auch der Abstand zwischen der Ventilplatte
beziehungsweise der Oberfläche
der Ventilplatte, die der Abdeckeinrichtung zugewandt ist, einerseits,
und der Abdeckeinrichtung, andererseits, verstanden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Öffnung
der ersten Ventileinrichtung, d.h. der Saugventileinrichtung, nicht
kreisförmig ausgebildet.
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Wie
oben dargestellt, ergibt sich der freie Querschnitt der Ventileinrichtung
aus dem Umfang des Ventilöffnungsquerschnitts
und dem Abstand zwischen der Öffnung
und der Abdeckeinrichtung. Daher wird bei dieser Ausführungsform
durch die Wahl eines nicht kreisförmigen Querschnitts der Umfang
der Öffnung
bei gleicher Querschnittsfläche bzw.
seitlichem Abmaß und
damit Platzbedarf erhöht. Bekanntermaßen weist
ein Kreis das geringste Verhältnis
zwischen Kreisumfang und Kreisfläche
im Vergleich zu anderen zweidimensionalen geometrischen Figuren
auf. Daher bewirkt eine Abänderung des Öffnungsquerschnitts
vom kreisförmigen
Profil eine Erhöhung
des Verhältnisses
aus Umfang und Fläche
der Öffnung.
Anders ausgedrückt,
wird ein Verhältnis
zwischen Kreisumfang und Kreisfläche ausgewählt, welches
größer ist
als 2 / r, wobei r der Radius der Kreisöffnung ist.
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Der
Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass der Umfang der Öffnung vergrößert werden
kann, ohne dass gleichzeitig der Querschnitt bzw. die Fläche der Öffnung in
vergleichbarem Maß ansteigt,
wodurch insbesondere der nur begrenzt auf der Verteilplatte zur
Verfügung
stehenden Flächen Rechnung
getragen werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die erste Ventileinrichtung mehrere erste Öffnungen auf. Auch auf diese
Weise kann der Umfang des Ventilöffnungsquerschnittes
im Verhältnis zu
dessen Fläche
erhöht
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Umfang der wenigstens einen Öffnung der ersten Ventileinrichtung
größer, bevorzugt
deutlich größer als
der Umfang der wenigstens einen Öffnung
der zweiten Ventileinrichtung. Dies bedeutet, dass das Ansaugventil
einen größeren, bevorzugt beträchtlich
größeren Öffnungsumfang
aufweist als das Druckventil. Auf diese Weise kann – wie eingangs
erwähnt – der Verlust
der Vorrichtung zum Komprimieren von Gas erheblich gesenkt werden, auch
wenn dabei in Kauf genommen wird, dass geringfügig Verluste am Druckventil
ansteigen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Öffnung
der ersten Ventileinrichtung einen Umfang auf, der – verglichen mit
dem Umfang einer fiktiven kreisförmigen Öffnung, welche
den gleichen Querschnitt wie die wenigstens eine Öffnung aufweist – um wenigstens
10 %, bevorzugt um wenigstens 20 % und, besonders bevorzugt, um
wenigstens 50 % übersteigt.
Dies bedeutet, dass die tatsächliche Öffnung einer gedachten
kreisförmigen Öffnung gegenübergestellt
wird, wobei die gedachte Öffnung
die gleiche Querschnittsfläche
wie die tatsächliche Öffnung aufweist
und die tatsächliche Öffnung andererseits
einen größeren Umfang
als die gedachte Öffnung
aufweist. Dies kann, wie oben ausgeführt, beispielsweise durch Abweichungen,
bevorzugt signifikante Abweichungen von der kreisförmigen Form
erreicht werden.
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Die
angegebenen Erhöhungen
des Umfang-Flächen-Verhältnisses
bezüglich
der kreisförmigen Öffnung um
10 %, 20 % beziehungsweise 50 %, welche auch als signifikante Erhöhungen verstanden werden,
bewirken eine erhebliche Absenkung des Leistungsverlustes am Saugventil.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Abdeckeinrichtung, bevorzugt die Abdeckeinrichtung
der ersten Ventileinrichtung, wenigstens eine Ausnehmung auf. Unter
einer Ausnehmung wird dabei eine Unterbrechung der Abdeckeinrichtung
verstanden. Dabei kann die Ausnehmung beliebige geometrische Formen,
beispielsweise kreisförmige,
ellipsenförmige,
polygonale und/oder ähnliche
Querschnitte aufweisen. Dabei können
die Ausnehmungen beziehungsweise Durchbrüche in den Bereichen angeordnet
sein, infolge derer bei Nichtvorhandensein dieser Durchbrüche ein langer
Gasweg mit engem Querschnitt entstehen würde.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Abdeckeinrichtung, bevorzugt die erste Abdeckeinrichtung
der ersten Ventileinrichtung, wenigstens einen Vorsprung auf. Im
Gegensatz zu der obengenannten Ausnehmung wird unter einem Vorsprung
ein Gebilde verstanden, welches gegenüber der übrigen Fläche hervorsteht, wohingegen
die Ausnehmung im Wesentlichen vollumfänglich von der Fläche der
Abdeckeinrichtung umgeben wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Abdeckeinrichtung, bevorzugt sind beide Abdeckeinrichtungen,
an der Ventilplatte befestigt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Gestalt wenigstens einer Abdeckeinrichtung an die Gestalt
der dieser Abdeckeinrichtung zugeordneten Öffnung angepasst. Unter der
der Abdeckeinrichtung zugeordneten Öffnung wird diejenige Öffnung verstanden,
die abzudecken die betreffende Abdeckeinrichtung bestimmt ist. Bevorzugt überragen
die Umfangsränder
wenigstens einer Abdeckeinrichtung die Umfangsränder der zugeordneten Öffnung um
zwischen 0,5 mm und 5 mm, bevorzugt um 1 mm bis 3 mm. Dies bedeutet,
dass, wenn beispielsweise die Öffnung
kreisrund mit einem Radius von 20 mm ausgebildet wäre, die
ihr zugeordnete Abdeckeinrichtung gegenüber der Öffnung konzentrisch angeordnet
wäre, mit
einem Radius von zwischen 20,5 mm und 25 mm, bevorzugt zwischen
21 mm und 23 mm. Dabei kann die Abdeckeinrichtung die ihr zugeordnete Öffnung entlang
des gesamten Umfangs um einen im Wesentlichen konstanten Betrag überragen,
der Betrag der Überlappung
kann jedoch auch variieren, so dass die Öffnung an unterschiedlichen
Bereichen unterschiedlich überragt wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Öffnung
eine um den Öffnungsquerschnitt
umlaufende Nut auf. Die oben erwähnte
geringe Überdeckung
hat den Vorteil, dass die Dämpfung
beim Abheben und Anlegen der Abdeckeinrichtung durch den Abriss
beziehungsweise die Verdrängung
des Gas- und/oder Kälteölpolsters
im engsten Spalt minimiert wird. Um diesen Effekt zu minimieren,
kann zusätzlich
eine um den Öffnungsquerschnitt
umlaufende Nut beziehungsweise eine gezielte Aufrauung der Ventilplatte
vorgesehen sein.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Ventilplatte bevorzugt an der der Abdeckeinrichtung zugewandten
Seite wenigstens einen Oberflächenabschnitt
mit einer wenigstens abschnittsweise verformbaren Beschichtung auf.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Abdeckeinrichtung wenigstens einen Oberflächenabschnitt
bevorzugt an der der Öffnung
zugewandten Seite mit einer wenigstens abschnittsweise verformbaren
Beschichtung auf. Dabei weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
die Beschichtung wenigstens ein Material auf, welches Teflon (PTFE)
enthält.
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Der
Grund für
diese Ausführungsform
ist, dass durch die signifikante Erhöhung des Umfangs der Saugventilöffnung und
der Ventilplatte auch die Dichtfläche zwischen der Ventilplatte
einerseits und der Abdeckeinrichtung andererseits erhöht wird
und damit zusätzliche
Leckagequerschnitte entstehen können.
Durch die elastisch und/oder plastisch verformbare Beschichtung
auf der Ventilplatte und/oder der Abdeckeinrichtung können diese
Leckagen zumindest vermindert werden. Wie ausgeführt, kommen für die Beschichtungen
temperaturbeständige Polymere,
wie Teflon (PTFE), in Frage, aber auch metallisch-weiche Plattierungen
sind in der Lage, Mikrorauhigkeiten durch plastische Anpassung der Dichtungspartner
auszugleichen. In letzterem Fall ist jedoch eine Lagefixierung der
Abdeckeinrichtungen beziehungsweise Lamellen in Bezug auf den Zylinderboden
erforderlich, was technisch jedoch kein Problem darstellt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Abdeckeinrichtung von ihrer zugeordneten Öffnung im
geöffneten
Zustand des Ventils wenigstens abschnittsweise einen Abstand auf,
der größer als
0,5 mm, bevorzugt größer als
1 mm, besonders bevorzugt größer als
1,5 mm ist. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Abdeckeinrichtung
der ersten Ventileinrichtung.
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Wie
oben dargestellt, soll der engste freie Querschnitt des Saugventils
erhöht
werden, wobei sich dieser Querschnitt aus dem Produkt des Umfangs
der Ventilöffnung
und dem Abstand der Abdeckeinrichtung von der Öffnung beziehungsweise der
Ventilplatte ergibt. Anstelle einer Vergrößerung des Umfangs der Öffnung kann
also auch eine Vergrößerung des
Abstandes vorgenommen werden. Eine Erhöhung dieses Abstandes führt jedoch
auch dazu, dass die Öffnungs-
und Schließzeiten
des Ventils erhöht
werden und dadurch zusätzliche
innere Leckagen durch zu spätes
Schließen
des Ventils entstehen können.
Es ist jedoch möglich,
eine Erhöhung des
maximal zugelassenen Hubs der Abdeckeinrichtung gegenüber der
Ventilplatte in Zusam menhang mit einer Abstimmung der Federsteifigkeit
und/oder Vorspannung der Abdeckeinrichtung zu verbessern.
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Die
Erfindung ist ferner auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gerichtet. Es
sei jedoch klargestellt, dass derartige Vorrichtungen zum Komprimieren
von Gas auch in anderen Kältemaschinen,
wie beispielsweise Kühlschränken, Anwendung
finden können.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf die Ventilplatte einer Vorrichtung zum Komprimieren
eines gasförmigen
Mediums nach dem Stand der Technik;
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2 einen
schematischen Schnitt durch die Ventilplatte der Vorrichtung aus 1;
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3 ein
Diagramm zur Darstellung der Kompressorverlustleistungen bei einer
Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
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4 eine
Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Ventilplatte
einer Vorrichtung zum Komprimieren eines gasförmigen Mediums;
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5 eine
Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer weiteren Ausführungsform;
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6 eine
Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer weiteren Ausführungsform;
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7 eine
Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer weiteren Ausführungsform;
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8 eine
Darstellung der Verlustleistungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung;
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9 eine
Darstellung des Wirkungsgrades für
eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik, und
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10 eine
Darstellung des Wirkungsgrades für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Komprimieren eines gasförmigen
Mediums.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf die kolbenseitige Oberfläche einer Ventilplatte 2 einer
Kompressionseinrichtung nach dem Stand der Technik. In dieser Ventilplatte
ist eine Druckventilöffnung 4 vorgesehen,
welche mit einer (nicht dargestellten) Abdeckeinrichtung versehen
ist. Des weiteren ist eine Abdeckeinrichtung 7, eine zweite
(verdeckte) Ventilöffnung 13,
welche Bestandteil des Saugventils ist, dargestellt.
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Bei
der Kompressionseinrichtung nach dem Stand der Technik weisen sowohl
die Öffnung 4 des Druckventils
als auch die Öffnung 13 des
Saugventils ähnlich
große
Umfänge
auf.
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2 zeigt
eine schematische ausschnittsweise Darstellung einer Kompressionseinrichtung nach
dem Stand der Technik. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 7 die
Abdeckeinrichtung des Saugventils, das in diesem Zustand geöffnet ist,
wobei das untere Ende 7a der Saugventillamelle an dem linken Anschlag
der Einkerbung 3 zu liegen kommt und somit an einer weiteren
Bewegung weg von der Öffnung 13 gehindert
wird. Das obere Ende 7b der Abdeckeinrichtung des Saugventils
ist zwischen der Ventilplatte 2 und einer Zylinderwandung 18 befestigt.
Das Bezugszeichen 13 bezieht sich auf die Öffnung des
Saugventils, welche durch die Abdeckeinrichtung 7 in geschlossenem
Zustand im Wesentlichen abgedeckt wird. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet
die Öffnung
des Druckventils, welche durch die Abdeckein richtung 8 ebenfalls
in dem hier gezeigten geschlossenen Zustand im Wesentlichen abgedeckt
wird. Die Abdeckeinrichtung 8 ist mit dem unteren Ende
zwischen der Ventilplatte 2 und einem Trennsteg 14 befestigt.
Dieser Trennsteg 14 dient dazu, den Saugraum 12 gegenüber dem
Druckraum 11 im Wesentlichen gas- und/oder flüssigkeitsdicht
abzudichten. Durch die Zylinderwand 18 und die Ventilplatte 2 wird
der Kompressionsraum 10 beziehungsweise dessen Endbereich
abgeschlossen. Innerhalb des Kompressionsraums 10 bewegt
sich eine (nicht gezeigte Kolbeneinrichtung), wobei je nach Bewegungsrichtung
der Kolbeneinrichtung entweder das Saugventil oder das Druckventil
geschlossen ist. Die Bezugszeichen 16a und 16b zeigen
Ringnuten um die jeweiligen Ventilöffnungen 13 und 4.
Diese Ringnuten dienen dazu, die Zeitverzögerungen beim Abheben und Anlegen
der jeweiligen Ventilabdeckeinrichtungen durch den Abriss beziehungsweise
die Verdrängung
des Gas- und/oder Kalteölpolsters
zu minimieren.
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In 3 ist
eine Darstellung der Kompressorverlustleistungen für eine Kompressionsvorrichtung
nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei wird von definierten
Drücken
ausgegangen und von dem Originalsaugventil bei einem hohen Druckverhältnis. Auf
der y-Achse sind die gesamten Verlustleistungen in Relation zur
isentropen Leistung, das heißt,
der Leistung bei konstanter Entropie, dargestellt. Auf der x-Achse
sind jeweils unterschiedliche Kompressordrehzahlen in der Einheit
1/min dargestellt.
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Dabei
sind die Verlustanteile auf die isentrope Verdichtungsarbeit, also
die verlustfreie Verdichtungsarbeit bezogen. Die vier Diagramme
zeigen die jeweiligen Verlustleistungen bei unterschiedlichen Fördergraden,
wobei das Bezugszeichen A einen Fördergrad von 0,8 kennzeichnet,
das Bezugszeichen B einen Fördergrad
von 0,6, das Bezugszeichen C einen Fördergrad von 0,4 und das Bezugszeichen
D einen Fördergrad
von 0,2.
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Der
Fördergrad
ist dabei definiert als das Produkt aus dem Regelgrad und dem Liefergrad.
Dabei ist der Regelgrad λregel wie folgt als das Verhältnis aus
dem aktuellen geometrischen Hubvolumen des leistungsregelbaren Kompressors
und dem maxialen geometrischen Hubvolumen definiert: λregel =
Ugeo/Vgeo-max
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Der
Liefergrad ist in klassischer Weise definiert als das Verhältnis aus
real gefördertem
Volumenstrom, bezogen auf den theoretisch bei dem aktuellen Hubvolumen
geförderten
Volumenstrom, nach folgender Gleichung: λliefer =
GR/(ρsaug∙Vgeo∙rc
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Damit
ergibt sich für
den Fördergrad,
das heißt,
das Produkt aus dem Liefergrad und dem Regelgrad, folgendes Verhältnis: λförder =
GR/(ρsaug∙Vgeo-max∙rc
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Die
quantitative Ermittlung der einzelnen Verlustbeiträge zum Gesamtverlust
ist aufwendig und erfordert einen erheblichen Messaufwand an den
Kompressoren, zum Beispiel eine Indizierung des Verdichtungsverlaufs
mittels einer hochauflösenden
Messtechnik.
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Dabei
sind aus dem Stand der Technik Verdichteroptimierungen bekannt,
welche nach "Versuch und
Irrtum" ablaufen,
wobei im Ergebnis jeweils nur die Auswirkung auf den leicht zu ermittelnden
Wirkungsgrad und den Liefergrad ermittelt wird. Nicht ermittelt
wird nach dem Stand der Technik, wie sich die einzelnen Verlustbeiträge quantitativ
bei den verschiedenen Betriebsbedingungen aufteilen. Eine derartige
Auflösung
führt zu
einem noch verbesserbaren Optimierungspotential für die Verdichter
beziehungsweise Kompressoren.
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So
führen,
wie eingangs erwähnt,
konstruktive Änderungen
an der Kompressor- beziehungsweise Verdichtergestaltung gegebenenfalls
zu gegenläufigen
Auswirkungen auf die einzelnen Verlustvorgänge, wobei die Größe dieser Auswirkungen
wichtige Hinweise für
weitere Optimierungsschritte liefern können.
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Mittels
eines rechnerischen Analyseverfahrens von Messdaten gelingt jedoch
eine Quantifizierung der einzelnen Verlustanteile, wodurch Schlussfolgerungen
auf die dominierenden Verlustmechanismen unter verschiedenen Rahmen-
beziehungsweise Betriebsbedingungen gewonnen werden können. Dieses
Optimierungsverfahren ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung und wird infolgedessen nicht detaillierter beschrieben.
Vielmehr wird an einem konkreten Beispiel das Ergebnis einer derartigen
Verlustanalyse dargelegt und die Schlussfolgerungen abgeleitet,
die bei einem R134a-Verdichter
für die
Kraftfahrzeug-Klimatisierung eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades
zur Folge haben kann.
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Dabei
bezieht sich in 3 das Bezugszeichen 31a auf
die relative hubunabhängige
Reibleistung, das Bezugszeichen 31b auf die relative hubabhängige Reibleistung,
das Bezugszeichen 31c auf den relativen Leckageverlust,
das Bezugszeichen 31d auf den relativen Druckventilverlust
und das Bezugszeichen 31e auf den relativen Saugventilverlust. Man
erkennt, dass die relative hubunabhängige Reibleistung sowie die
relative hubabhängige Reibleistung
im Wesentlichen unabhängig
von der jeweiligen Kompressordrehzahl ist. Der relative Leckageverlust 31c sowie
der relative Druckventilverlust 31d ändern sich in Abhängigkeit
von der Kompressordrehzahl. Insbesondere bei hohen Fördergraden, wie
in Fig. A und Fig. B gezeigt, ist erkennbar, dass der relative Saugventilverlust 31e in
Abhängigkeit von
der Kompressordrehzahl zu hohen Kompressordrehzahlen hin stark ansteigt
und, insbesondere bei hohen Fördergraden
und hohen Kompressordrehzahlen, der relative Saugventilverlust 31e die
Gesamtverlustleistung dominiert.
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Aus
diesem Grunde kann, insbesondere bei hohen Kompressordrehzahlen,
durch eine Absenkung des relativen Saugventilsverlusts die Gesamtverlustleistung
erheblich reduziert werden. Bei realen Betriebszuständen eines
Klimakompressors erreicht die Ansaugleistung durch den Ventilspalt
des Saugventils Werte von über
1000 W.
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Durch
eine Reduzierung dieser Verluste am Saugventil kann damit der Gesamtverlust
reduziert werden, selbst wenn durch dieselbe Maßnahme der Druckventilverlust,
der sich im Vergleich zum Saugventilverlust weniger stark auf den
Gesamtverlust auswirkt, erhöht
wird.
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In 4 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Komprimieren von gasförmigen
Medien in einer ersten Ausführungsform
dargestellt. Diese weist eine Druckventilöffnung 4 und zwei
Saugventilöffnungen 13a und 13b auf.
Daraus ergibt sich, dass der Umfang der Saugventilöffnungen
den Umfang der Druckventilöffnung 4 bei
weitem übersteigt,
d. h. er in diesem Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen das Doppelte beträgt. Das Bezugszeichen 7 kennzeichnet
die Abdeckeinrichtung des Saugventils, welche die Ventilöffnungen 13a und 13b in
geschlossenem Zustand vollständig
abdeckt.
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Wie
eingangs erwähnt,
entsteht generell der größte Anteil
des Druckverlustes am engsten Querschnitt des jeweiligen Ventils.
Dies ist bei der üblichen
Konstruktion der Verdichterventile die Mantelfläche des säulenähnlichen Gebildes (vgl. 2), dessen
Höhe durch
den Abstand der Abdeckeinrichtung von der Ventilplatte und dessen
Umfang durch den Umfang des Ventilöffnungsquerschnitts der Ventilplatte
definiert ist. Dies bedeutet, dass der engste freie Querschnitt
des Saugventils in Beziehung zum engsten Querschnitt des Druckventils
durch die jeweiligen definierten Mantelflächen im Produkt mit den Abständen der
Abdeckeinrichtungen zur Ventilplatte definiert ist.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
wird der erheblich größere Umfang
des Saugventils gegenüber
dem Druckventil dadurch erreicht, dass diese Ventilöffnung einen
wesentlich größeren kreisförmigen Querschnitt
aufweist. Dabei ist jedoch zu beachten, dass zwischen den jeweiligen Öffnungen
für das
Druck- und das Saugventil in der Ventilplatte ein genügend breiter Steg
(nicht gezeigt) verbleibt, der eine Trennung zwischen dem Druck- und dem Saugraum
auf der dem Zylinder gegenüberliegenden
Seite der Ventilplatte ermöglicht,
in dem beziehungsweise von dem aus das zu verdichtende Gas strömt (vgl. 2).
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Dabei bleibt das Druckventil beziehungsweise dessen Öffnung 4 im
Vergleich zu der in 5 gezeigten Ausführungsform
im Wesentlichen unverändert.
Die Abdeckeinrichtung 7 für die Ansaugöffnung weist eine
Vielzahl von Ausnehmungen 27a, 27b usw. auf. Diese
Ausnehmungen 27a, 27b dienen dazu, den Strömungsweg
im engsten Spalt zu vermindern.
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Da
neben dem Querschnitt des jeweiligen Spalts auch die Länge des
Spalts zwischen der Öffnung
des Ventils 13 und der Abdeckeinrichtung 7 von Bedeutung
ist, kann durch diese Durchbrüche
oder Ausnehmungen 27a, 27b erreicht werden, dass
an den Stellen, infolge derer ein relativ langer Gasweg mit engem
Querschnitt entstehen würde,
das Gas direkt austreten kann. Die jeweiligen Ausnehmungen 27a, 27b können, wie
in der in 6 gezeigten Ausführungsform,
im Wesentlichen symmetrisch angeordnet sein; es ist jedoch auch
eine hiervon abweichende Anordnung der jeweiligen Ausnehmungen 27a, 27b beziehungsweise
Durchbrüche
möglich. Die Öffnung 13 ist
in dieser Ausführungsform
sternförmig
ausgebildet, wodurch ein stark erhöhter Umfang erreicht wird.
Die Ausnehmungen sind zwischen den Vorsprüngen 28a, 28b etc.
der Öffnung 13 angeordnet.
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Bei
der in 7 gezeigten Ausführungsform weist die Abdeckeinrichtung 13 anstelle
der Ausnehmungen 27a, 27b aus 6 Einschnitte 29a, 29b etc.
auf. Die Ansaugöffnung 13 weist
in dieser Ausführungsform
ebenfalls Vorsprünge 28a, 28b etc.
auf. Durch diese Maßnahme
kann einerseits der Umfang der Ansaugöffnung 13 stark erhöht werden,
andererseits können,
da die Abdeckeinrichtung 7 die Öffnung jeweils nur jeweils
im Bereich der Vorsprünge
geringfügig überragt,
auch allzu lange Strömungswege
verhindert werden. Die Vorsprünge 39a, 39b, 39c (vgl. 6 und 7)
der Abdeckeinrichtung 7 dienen bevorzugt der Hubbegrenzung
der Abdeckeinrichtung.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Vermeidung
der obengenannten Nachteile (hohe energetische Verlustbeiträge durch das
Saugventil innerhalb der Kompressionsvorrichtung). Insbesondere
ist es möglich,
die Durchtrittsfläche
des für
den Druckverlust hauptsächlich
verantwortlichen engsten Ventilspaltes bzw. am Saugventil um Faktoren
im Vergleich zu dem des Druckventils zu erhöhen.
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In 8 ist
die Kompressorverlustleistung für
unterschiedliche Regelgrade für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Austausch von Wärme
dargestellt. Dabei bezeichnen die Abschnitte A, B, C und D wiederum
die einzelnen Verhältnisse
bei den unterschiedlichen Regelgraden 0,8 (A), 0,6 (B), 0,4 (C), 0,2
(D). Aufgetragen ist auch hier die Verlustleistung in Relation zur
isentropen Leistung gegenüber
der jeweiligen Kompressordrehzahl.
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Man
erkennt, dass auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Komprimieren
von Gas die relative hubunabhängige
Reibleistung 31a sowie die relative hubabhängige Reibleistung 31b über den betrachteten
Kompressordrehzahlbereich im Wesentlichen konstant bleibt. Dagegen
findet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Komprimieren von Gas in Abhängigkeit
von der Kompressordrehzahl gegenüber
dem Stand der Technik mit steigender Kompressordrehzahl ein erheblich
geringerer Anstieg des relativen Saugventilverlusts, insbesondere bei
hohen Regelgraden und hohen Kompressordrehzahlen, statt.
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Dagegen
wirkt sich bei geringen Regelgraden die Verbesserung am Saugventil
nur relativ geringfügig
aus.
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In
den 9 und 10 ist der Gesamtwirkungsgrad
eines R134a-Kompressors
dargestellt, wobei 9 den Wirkungsquerschnitt eines
Kompressors nach dem Stand der Technik und 10 des
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
darstellt. Dabei wird wieder von definierten Drücken ausgegangen. Über der
x-Achse ist die jeweilige Drehzahl des Kompressors aufgetragen, über der
y-Achse der Fördergrad
und über
der z-Achse der errechnete Gesamtwirkungsgrad. Man erkennt, dass
im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
insbesondere bei hohen Fördergraden
und hohen Drehzahlen, der Gesamtwirkungsgrad erheblich höher liegt
als der vergleichbare Wirkungsgrad bei der Vorrichtung nach dem
Stand der Technik. Auch liegt der maximale Gesamtwirkungsgrad bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
deutlich höher
als bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Während für hohe Fördergrade
und hohe Kompressordrehzahlen der berechnete Gesamtwirkungsgrad
bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik sehr rasch auf Werte
unter 0,25 absinkt, beträgt
der Gesamtwirkungsgrad für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei den vergleichbaren Drehzahlen und Fördergraden noch etwa 0,35.
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Wie
in 8 dargestellt, konnten im Vergleich zu 3 die
Saugventilverluste auf ca. 30 % reduziert werden. Dabei konnten
die Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad – in den 8, 9 und 10 gezeigt – definiert
als das Verhältnis
von isentroper Verdichtungsleistung und investierter mechanischer
Antriebsleistung, vor allem bei mittleren und hohen Volumenströmen (das
heißt,
mittleren und hohen Drehzahlen und mittleren und hohen Regelgraden),
signifikant verbessert werden, wie sich aus dem Vergleich der 9 und 10 ergibt.
Dies führt
im Ergebnis dazu, dass für
den Betrieb der Klimaanlage geringere Antriebsleistung nötig ist,
und auf diese Weise der für
die Klimaanlage benötigte Kraftstoffverbrauch
und die dazugehörige
Emission (Treibhauseffekt) verringert werden können.
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Daneben
ist es möglich,
die Heißgastemperatur
zu senken. Dies führt
zu geringeren thermischen Belastungen der Kältemittelschläuche, zu
einer Entschärfung
der Leistungsanforderungen an den Kondensator, da weniger Wärme an die
Umgebung abzuführen
ist, sowie zu einer Reduktion der Kältemitteldiffusionsrate durch
die elastomeren Schlauchmaterialien, was wiederum zu weiterer Schonung
der Umwelt führt.