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Die Erfindung betrifft eine Ventilplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weitern ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Ventilplatte sowie eine Vorrichtung zum Prägen einer Ventilplattenoberfläche einer derartigen Ventilplatte. Schließlich betrifft die Erfindung einen Hubkolbenverdichter mit einer derartigen Ventilplatte.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 40 39 786 C2 ist es bekannt, eine Ventilplatte als Stanz-Präge-Teil auszuführen. Dabei wird die Bearbeitung auf den Stanz-Präge-Vorgang und die Bearbeitung der Ventilsitze reduziert. In derselben Patentschrift ist des Weiteren offenbart, die Ventilplatte als Sinterteil auszuführen. Dadurch soll erreicht werden, dass die Vertiefung ohne spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden kann. Eine dennoch erforderliche Nachbearbeitung kann auf den Bereich der Ventilsitze beschränkt werden. Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 01/63 126 A1 ist es bekannt, eine Ventilplatte aus Stahlblech herzustellen, wobei Öffnungen, Ventilsitze und Vertiefungen zur Aufnahme von Saug- und Druckventilen in mehreren aufeinander folgenden Stanz- und Prägeschritten hergestellt werden. Eine Herstellung der Ventilplatte in einem einzigen Prägeschritt ist wegen der zu hohen Steifigkeit beziehungsweise der zu geringen Verformbarkeit des Materials nicht möglich. Aus der
US 3 751 005 A ist eine Ventilplatte für einen Hubkolbenkompressor bekannt, die gespresst, gesintert, dampfbehandelt und anschließend geschliffen ist. Das dem Sintern nachgeordnete Schleifen ist notwendig, um hinreichend glatte Oberflächen für das korrekte Montieren einer Dichtung sowie von Ventilen zu ermöglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung einer Ventilplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu vereinfachen. Darüber hinaus soll ein Hubkolbenverdichter geschaffen werden, der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist durch eine Ventilplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Durch die Schaffung von definierten Bereichen mit unterschiedlicher Ebenheit können die verschiedenen Bereiche der Ventilplattenoberfläche optimal an ihre jeweilige Funktion angepasst werden. Die relativ ebene Oberfläche weist einen sehr engen Toleranzbereich mit Ebenheitstoleranzen im μm-Bereich auf. Die relativ unebene Oberfläche kann Vertiefungen und/oder Erhöhungen in einem weiten Toleranzbereich mit Ebenheitstoleranzen von mehreren Hundertstel mm aufweisen. Die Eindrücke oder Vertiefungen dienen unter anderem dazu, überschüssiges Material aufzunehmen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine definierte Bereich mit der relativ unebenen Oberfläche im Vergleich mit dem mindestens einen definierten Bereich mit der relativ ebenen Oberfläche so groß ist, dass die zugehörige Ventilplattenoberfläche in einem einzigen Prägeschritt erzeugt werden kann. Es ist schwierig oder unmöglich, die gesamte Ventilplattenoberfläche mit einer relativ ebenen Oberfläche in einem einzigen Prägeschritt zu erzeugen. Daher werden Ventilplatten aus Stahlblech, wie sie aus der internationalen Patentanmeldung
WO 01/63 126 A1 bekannt sind, in mehreren aufeinander folgenden Stanz- und Prägeschritten hergestellt. Bei gesinterten Ventilplatten, wie sie aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 39 786 C2 bekannt sind, werden die Ventilsitze und die Vertiefungen für die Ventile nach dem Sintern in einem ersten Kalibrierungsschritt eingeprägt. Anschließend wird die übrige Oberfläche der Ventilplatte geschliffen, bevor die Ventilsitze und die Vertiefungen für die Ventile in einem zweiten Kalibrierungsschritt nachgearbeitet werden. Dabei müssen die beim Schleifen entstehende Grate entfernt werden. Der zweite Kalibrierungsschritt kann durch Prägen, Läppen oder Walzen erfolgen. Durch die erfindungsgemäße Unterteilung der Ventilplattenoberfläche in Bereiche mit unterschiedlicher Ebenheit kann die aufwendige spanende Bearbeitung entfallen. Das liefert den Vorteil, dass eine zum Beispiel mit Hilfe einer Dampfbehandlung versiegelte Ventilplattenoberfläche nicht durch spanende Bearbeitung beschädigt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine definierte Bereich mit der relativ unebenen Oberfläche größer als der mindestens eine definierte Bereich mit der relativ ebenen Oberfläche ist. Dadurch wird das Prägen der Ventilplattenoberfläche erheblich vereinfacht. Vorzugsweise ist der mindestens eine definierte Bereich mit der relativ unebenen Oberfläche deutlich größer als der mindestens eine definierte Bereich mit der relativ ebenen Oberfläche.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplattenoberfläche insbesondere nur im Bereich der Ventilsitzfläche eine relativ ebene Oberfläche aufweist. Als Ventilsitzfläche oder Ventilsitz wird die Fläche bezeichnet, an der ein Ventilschließkörper eines Druck- oder Saugventils in der Schließstellung zur Anlage kommt. Die übrige Ventilplattenoberfläche ist gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung relativ uneben.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplattenoberfläche im Bereich von mindestens einer Ventilkörperanlagefläche eine relativ ebene Oberfläche aufweist. Als Ventilkörperanlagefläche wird die Fläche bezeichnet, an der ein Ventilkörper dauerhaft anliegt oder zur Anlage kommen kann. Die Ventilkörperanlagefläche kann deckungsgleich mit der Ventilsitzfläche sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche und/oder die Ventilkörperanlagefläche im Bereich von Vertiefungen oder Erhöhungen angeordnet sind/ist. Die Ventilsitzflächen und/oder die Ventilkörperanlageflächen können auch bündig mit der Ventilplattenoberfläche abschließen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eindrücke oder Vertiefungen eine Tiefe von wenigen Zehntel mm aufweisen. Diese Werte haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventilplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass ein kritischer Teil der relativ unebenen Oberfläche mindestens eine Dichtungszone auf der Ventilplattenoberfläche umfasst. Die Dichtungszone dient zum Beispiel dazu, die Saugseite eines mit der Ventilplatte ausgestatteten Verdichters von dessen Druckseite zu trennen. Weitere Dichtungszonen dienen zum Beispiel dazu, den Verdichtungsraum eines mit der Ventilplatte ausgestatteten Verdichters zu begrenzen.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer vorab beschriebenen Ventilplatte weist die folgenden Schritte auf: Ein vorzugsweise pulverförmiges Sintermaterial wird zu einem Rohling gepresst; bei dem Sintermaterial handelt es sich zum Beispiel um unlegiertes Sintereisen, das in Pulverform vorliegt; beim Pressen werden in dem Rohling Durchgangslöcher und/oder Vertiefungen ausgespart. Anschließend wird der Rohling gesintert. Der gesinterte Rohling wird dann gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung in einem einzigen Verfahrensschritt geprägt. Da in dem erfindungsgemäßen Herstellungsprozess kein zusätzliches Schleifen, Läppen oder anderes ganzflächiges spanendes Bearbeitungsverfahren mehr erforderlich ist, können in den Dichtflächen oder Dichtungsabschnitten oder Dichtzonen oder Dichtungszonen umlaufende Vorsprünge oder Wulste ausgebildet werden, durch welche die Dichtigkeit eines mit einer solchen Ventilplatte ausgestatteten Hubkolbenverdichters erhöht wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ventilsitzfläche und/oder mindestens eine Ventilkörperanlagefläche in dem einzigen Prägeschritt kalibriert werden/wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Durchgangslöcher und/oder Vertiefungen und/oder Erhöhungen in dem einzigen Prägeschritt kalibriert werden. Bei den Durchgangslöchern handelt es sich vorzugsweise um Saug- oder Drucköffnungen und des Weiteren um Befestigungslöcher.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplattenoberflächen der gesinterten und geprägten Ventilplatte versiegelt werden. Das Versiegeln erfolgt zum Beispiel durch eine Dampfbehandlung.
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Bei einer Vorrichtung zum Prägen einer Ventilplattenoberfläche einer vorab beschriebenen Ventilplatte in einem vorab beschriebenen Verfahren mit einem Prägewerkzeug ist die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass das Prägewerkzeug eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die dazu dienen, in dem mindestens einen definierten Bereich mit einer re-lativ unebenen Oberfläche Eindrücke zu erzeugen. Im Bereich der Eindrücke wird das an sich poröse Sintermaterial beim Prägen lokal verdichtet. Das liefert den Vorteil, dass überschüssiges Material beim Prägen in der Ventilplatte selbst aufgenommen beziehungsweise in vorhandene Unebenheiten hinein verdrängt wird. Dadurch können auf einfache Art und Weise vorbestimmte Dicken- und/oder Ebenheitstoleranzen eingehalten werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen Hubkolbenverdichter mit einem Zylinderblock, in dem ein Verdichtungsraum ausgebildet ist, der an einer Seite durch eine vorab beschriebene Ventilplatte begrenzt ist, die zwischen dem Zylinderblock und einem Zylinderkopfdeckel eingespannt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Ventilplatte mit der im eingebauten Zustand der Ventilplatte einem Verdichtungsraum eines Hubkolbenverdichters zugewandten Seite;
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2 die dem Verdichtungsraum abgewandte Seite der Ventilplatte aus 1;
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3 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie III-III in 1, wobei die Blickrichtung durch Pfeile angegeben ist;
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4 eine zweite Ausführungsform der Ventilplatte aus 1 mit eingepressten Eindrücken;
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5 die dem Verdichtungsraum abgewandte Seite der Ventilplatte aus 4 mit eingepressten Eindrücken und
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6 die Ansicht eines Teilschnitts entlang der Linie VI-VI in 5, wobei die Blickrichtung durch Pfeile angegeben ist.
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Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft einen Hubkolbenverdichter einer Kältemaschine mit einem Zylinderkopf, der zum Beispiel mit Hilfe von Schraubbolzen an dem Zylinderblock befestigt ist. Der Zylinderblock weist eine Zylinderbohrung auf, die auch als Verdichtungsraum bezeichnet wird. Die Zylinderbohrung dient zur Aufnahme eines Kolbens des Kolbenverdichters. Der Zylinderkopf umfasst einen Zylinderkopfdeckel und eine Ventilplatte, wie sie in den beiliegenden 1 bis 6 in verschiedenen Ansichten und Ausführungen dargestellt ist. Zwischen dem Zylinderkopfdeckel und der Ventilplatte ist eine erste Dichtung angeordnet. Zwischen der Ventilplatte und dem Zylinderblock ist eine zweite Dichtung angeordnet. In dem Zylinderkopfdeckel ist ein Druckraum ausgebildet, der über mindestens ein Durchgangsloch in der Ventilplatte mit dem Verdichtungsraum in dem Zylinderblock in Verbindung steht.
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In den 1 bis 6 ist eine Ventilplatte 1 in verschiedenen Ansichten und Ausführungsformen dargestellt. Die Ventilplatte 1 umfasst einen quaderförmigen Grundkörper 2 aus Sintermetall. Der Grundkörper 2 hat eine rechteckige Grundfläche, die an den Ecken abgerundet ist. Die in 1 sichtbare und dem Verdichtungsraum zugewandte Ventilplattenunterseite ist mit 4 bezeichnet. Die in 2 sichtbare und dem Verdichtungsraum abgewandte Ventilplattenoberfläche ist mit 6 bezeichnet. In den Eckbereichen der Ventilplatte 1 sind vier Durchgangslöcher 11 bis 14 ausgespart, die zum Durchführen von Befestigungsbolzen dienen. Daher werden die vier Durchgangslöcher 11 bis 14 auch als Bolzenöffnungen bezeichnet.
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In einem zentralen Bereich des Grundkörpers 2 ist ein Saugdurchgangsloch 16 vorgesehen, das auch als Saugöffnung bezeichnet wird. Das Saugdurchgangsloch 16 ist innerhalb einer Vertiefung 17 angeordnet, die zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Saugventils dient. Das Saugventil umfasst einen Saugventilschließkörper, der dazu dient, das Saugdurchgangsloch 16 beim Ansaugen von Kältemittel in den Verdichtungsraum des Hubkolbenverdichters zu öffnen. Im Bereich der Vertiefung 17 sind des Weiteren zwei Durchgangslöcher 19 und 20 vorgesehen, die zur Aufnahme von Befestigungsstiften dienen, mit denen das Saugventil in der Vertiefung 17 befestigbar ist.
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In der Nähe des Saugdurchgangslochs 16 ist in dem Grundkörper 2 ein Druckdurchgangsloch 21 ausgespart, das, wie man in 2 sieht, zusammen mit zwei weiteren Durchgangslöchern 22 und 23 im Bereich einer Vertiefung 26 angeordnet ist. Die Vertiefung 26 dient zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Druckventils, das einen Druckventilschließkörper aufweist, der dazu dient, das Druckdurchgangsloch 21 nach einem Arbeitshub des Kolbens des Kolbenverdichters den Verdichtungsraum mit dem Druckraum zu verbinden. Zwischen den Bolzenöffnungen 11 und 14 ist ein weiteres Durchgangsloch 25 in der Ventilplatte 1 ausgespart, das zur Durchführung von Druckgas dient. In 2 sieht man des Weiteren, dass die Saugöffnung 16 auf der Ventilplattenoberseite 6 innerhalb einer Vertiefung 27 angeordnet ist, die zur Aufnahme einer (nicht dargestellten) Ansaugvorrichtung dient.
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In 3 ist die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie III-III in 1 dargestellt. In der Schnittansicht sieht man, dass die Drucköffnung 21 auf der Ventilplattenoberseite 6 durch einen Druckventilsitz 30 begrenzt ist, der auch als Druckventilsitzfläche bezeichnet wird. Die Saugöffnung 16 ist auf der Ventilplattenunterseite 4 durch eine Saugventilsitzfläche 31 begrenzt.
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Die Ventilplatte 1 ist aus unlegiertem Sintereisen hergestellt. Auf der Ventilplattenunterseite 4 und der Ventilplattenoberseite 6 sind gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung Bereiche mit unterschiedlicher Ebenheit vorgesehen, die in einem einzigen Prägeschritt ohne nachfolgendes Schleifen erzeugt werden. Dadurch können die verschiedenen Bereiche der Ventilplattenunterseite 4 und der Ventilplattenoberseite 6 optimal an ihrer Funktion beziehungsweise gewünschten Eigenschaften angepasst werden.
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Im Bereich der Vertiefungen 17, 26 kommen Blattventile in ihrer Schließposition zur Anlage. Deshalb sind im Bereich der Vertiefungen 17 und 26 sehr kleine Ebenheitstoleranzen gefordert. Unebenheiten in diesen Bereichen, die auch als erste Oberflächenbereiche bezeichnet werden, können zu erhöhten Spannungskonzentrationen in den Blattventilen führen, was wiederum die Lebensdauer eines mit einer derartigen Ventilplatte ausgestatteten Verdichters vermindern würde. Vorzugsweise weist der Bereich der Vertiefung 27 ebenfalls sehr kleine Ebenheitstoleranzen auf.
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An die anderen Bereiche der Ventilplattenoberfläche auf der Ventilplattenunterseite 4 und der Ventilplattenoberseite 6, die auch als zweite Bereiche bezeichnet werden, werden nur geringere Anforderungen bezüglich ihrer Ebenheit gestellt, also größere Toleranzen zugelassen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass die notwendigen Toleranzen in den einzelnen Oberflächenbereichen in einem einzigen Prägeschritt erreichbar sind, wodurch ein nachträgliches Schleifen entfallen kann. Da das Prägen außerdem eine im Vergleich zum Schleifen geringere Oberflächenrauhigkeit mit sich bringt, wird das Risiko von Undichtigkeiten oder der Verschleiß an den Ventilen noch weiter vermindert.
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Die in den 1 bis 3 dargestellte Ventilplatte wird wie folgt hergestellt: Bereitstellen eines pulverförmigen Sintermaterials; Pressen des Pulvers in einem Werkzeug zu einem Rohling; Sintern des Ventilplattenrohlings; Prägen der Ventilplatte; Dampfbehandlung.
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Vorzugsweise weist das verwendete Prägewerkzeug eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die in bestimmten Oberflächenbereichen der gesinterten Ventilplatte Eindrücke erzeugen, indem dort lokale Verdichtungen des an sich porösen Sintermaterials stattfinden. Diese Oberflächenbereiche der Ventilplatte sind hierbei Teil der vorher erwähnten zweiten Bereiche mit größeren Ebenheitstoleranzen. Auf diese Weise kann ”überschüssiges” Material während des Prägeprozesses in der Ventilplatte selbst aufgenommen beziehungsweise in vorhandene Unebenheiten hinein verdrängt werden, so dass die vorbestimmten Dicken- oder Ebenheitstoleranzen eingehalten werden können.
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In den 4 bis 6 ist eine ähnliche Ventilplatte 1 wie in den 1 bis 3 dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 1 bis 3 verwiesen. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen.
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In 4 ist durch einen gestrichelten Kreis 41 eine Projektion einer Zylinderbohrung auf die Ventilplattenunterseite 4 angedeutet. Aufgrund der kreisförmigen Gestalt der Projektion 41 wird diese auch als Kreis bezeichnet. Innerhalb des Kreises 41 sind das Saugdurchgangsloch 16 und das Druckdurchgangsloch 21 angeordnet. Zwischen dem gestrichelten Kreis 41 und einem weiteren gestrichelten, konzentrisch angeordneten größeren Kreis 42 erstreckt sich eine Ringfläche 43, die eine von Eindrücken freizuhaltende Dichtungszone des Zylinders des Verdichters darstellt. Zwischen dem Durchgangsloch 25 und einem weiteren gestrichelten Kreis 45 ist eine weitere von Eindrücken freizuhaltende Dichtungszone oder Dichtfläche 46 auf der Ventilplattenunterseite 4 angeordnet. Auf der Ventilplattenunterseite 4 sind neben den Dichtzonen oder Dichtflächen 43 und 46 noch der Bereich der Vertiefung 17 von Eindrücken freizuhalten. Die übrigen Bereiche der Ventilplattenunterseite, die relativ uneben sein können, sind mit einer Vielzahl von Eindrücken 51, 52 versehen.
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In 5 erstreckt sich auf der Ventilplattenoberseite 6 zwischen dem äußeren Umfang 55 der Ventilplatte 1 und einer gestrichelten Linie 56 eine weitere Dichtungszone 58, die ebenfalls von Eindrücken freizuhalten ist. Die gestrichelte Linie 56 begrenzt einen Bereich 60, der relativ uneben sein kann. In dem Bereich 60 ist eine Vielzahl von Eindrücken 61 bis 65 vorgesehen. Die Eindrücke 51, 52 und 61 bis 65 werden nach dem Sintern in die Ventilplattenunterseite 4 und die Ventilplattenoberseite 6 eingepresst. Die Tiefe der Eindrücke 51, 52 und 61 bis 65 liegt im Bereich von wenigen Zehntel mm. In 6 sieht man, dass die Eindrücke, im Querschnitt betrachtet, jeweils die Gestalt eines Kreisbogens aufweisen.
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Die ersten Oberflächenbereiche der Ventilplatte 1 mit kleinen, also sehr feinen Toleranzen, sind ebenfalls von Eindrücken freigehalten. Das gilt insbesondere für die Bereiche, in denen die Saug- und Druckventile an der Ventilplatte 1 anliegen, vor allem die Ventilsitzflächen (30, 31 in 3). Diese ersten Bereiche erfordern Ebenheitstoleranzen von wenigen μm, um ein einwandfreies Verschließen der jeweiligen Öffnungen durch die Ventile zu gewährleisten, während die Parallelitätstoleranzen dieser Bereiche im Vergleich zur restlichen Oberfläche der Ventilplatte relativ unkritisch sind. Für die übrigen zweiten Bereiche der Ventilplatte sind Ebenheitstoleranzen von mehreren Hundertstel mm zulässig.
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Auch Teile der zweiten Oberflächenbereiche mit größeren Toleranzen müssen aus Dichtheitsgründen von Eindrücken freigehalten werden, nämlich die zwischen der Ventilplatte 1 und einem Zylinderblock beziehungsweise zwischen der Ventilplatte 1 und einem Zylinderkopfdeckel ausgebildeten Dichtungsabschnitte oder Dichtzonen oder Dichtungszonen zur Trennung von Saug- und Druckseite des Verdichters. Außerdem zählt dazu der den Verdichtungsraum abschließende Bereich der Ventilplatte 1. Hier würden Eindrücke den schädlichen Totraum des Verdichters erhöhen. Bei den Teilen der zweiten Oberflächenbereiche, die aus Dichtheitsgründen von Eindrücken freigehalten werden müssen, handelt es sich um die Dichtzonen 43 und 46 auf der Ventilplattenunterseite (in 4) und die Dichtzone 58 auf der Ventilplattenoberseite 6 (in 5).
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Die zum Verschluss der Saugöffnung 16 und der Drucköffnung 21 vorgesehenen Blattventile können in bekannter Art und Weise mit Hilfe von Stiften, Schrauben, Nieten an der Ventilplatte 1 befestigt oder mit dieser verschweißt oder verklemmt werden. Dabei können sie bündig mit der Plattenoberfläche angebracht, oder auch teilweise oder vollständig in geeigneten Vertiefungen der Platte angebracht werden. Das verhindert den schädlichen Raum des Verdichters, das heißt den Teil des Verdichtungsraums, der am Ende der Ausstoßphase des Verdichters nicht entleert werden kann. Die Bodenflächen dieser Vertiefungen sind hierbei Teil der vorbestimmten ersten Oberflächenbereiche mit kleinen Ebenheitstoleranzen.
