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Die Erfindung betrifft einen Verdichter eines Kältemittelkreislaufs, aufweisend einen Arbeitsraum mit einer Innenmantelwand, einem Einlass und einem Auslass und einen zur Volumenänderung des Arbeitsraums axial verstellbaren Kolben, insbesondere Hubkolben, mit einer Außenmantelwand, die während eines Betriebs des Verdichters mit der Innenmantelwand des Arbeitsraums ein tribologisches System bildet.
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Aus der
DE 10 2006 042 021 A1 ist ein Verdichter mit einem Einlassanschluss und einem Auslassanschluss für ein zu verdichtendes Gas und einer Arbeitskammer, in der ein Kolben zum Verdichten des Gases bewegbar ist, wobei in einer von dem Kolben überstrichenen Wand der Arbeitskammer mit dem Auslassanschluss kommunizierende Öffnungen gebildet sind, und bei dem ein Partikelfilter, das in einem Strömungsweg des Gases durch den Verdichter zwischen dem Einlassanschluss und dem Auslassanschluss angeordnet ist, bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bei einem Betrieb eines Verdichters eines Kältemittelkreislaufs zwischen einer Innenmantelwand eines Arbeitsraums und der zugeordneten Außenmantelwand eines Hubkolbens sich bildendes tribologisches System zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verdichter eines Kältemittelkreislaufs, aufweisend einen Arbeitsraum mit einer Innenmantelwand, einem Einlass und einem Auslass und einen zur Volumenänderung des Arbeitsraums axial verstellbaren Kolben, insbesondere Hubkolben, mit einer Außenmantelwand, die während eines Betriebs des Verdichters mit der Innenmantelwand des Arbeitsraums ein tribologisches System bildet, bei dem die Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, eine Strukturierung aufweist, die ausgebildet ist, ein Abreißen eines Schmierstofffilms zwischen Innenmantelwand des Arbeitsraums und Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, zu verhindern.
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Der Verdichter kann insbesondere ein Verdichter für einen Kältemittelkreislauf eines Haushaltskältegeräts sein, der einen Arbeitsraum mit einer Innenmantelwand, einem Einlass und einem Auslass und einen zur Volumenänderung in dem Arbeitsraum axial verstellbaren Kolben, insbesondere Hubkolben, mit einer der Innenmantelwand des Arbeitsraums zugeordneten Außenmantelwand, bei dem sich bei einem Betrieb zwischen der Innenmantelwand des Arbeitsraums und der zugeordneten Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, ein tribologisches System bildet, bei dem die Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, auch eine reduzierte Rauheit, sowie eine gezielt eingebrachte Strukturierung aufweisen kann.
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Indem die Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, eine Strukturierung aufweist, kann ein Abreißen eines Schmierstofffilms zwischen Innenmantelwand des Arbeitsraums und Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, verhindert werden, insbesondere indem ein Mischreibungsanteil zugunsten eines Flüssigkeitsreibungsanteils reduziert werden. Reibungskräfte können reduziert werden und die Lebensdauer des Verdichters kann verlängert werden. Der Schmierstofffilm kann durch Öl erzeugt sein, das zwischen der Innenmantelwand des Arbeitsraums und der zugeordneten Außenmantelwand des Kolbens, insbesondere Hubkolbens, eingebracht wird.
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Die Strukturierung kann taschen-, wellen- oder rautenformartig ausgebildet sein. Die Strukturierung kann einzelne abgeschlossene Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweisen. Alternativ kann die Strukturierung ein System kommunizierender Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweisen. In beispielsweise abgeschlossenen Vertiefungen kann beim Betrieb des Verdichters ein hydrodynamischer Schmiermitteldruckaufbau erfolgen. Kommunizierende Vertiefungen können eine gute Verteilung von Schmiermittel begünstigen.
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Eine Strukturierung kann mittels einer Laserbearbeitung in die Außenmantelwand des Hubkolbens eingebracht sein. Damit kann Material thermisch abgetragen sein. Es kann sich eine temperaturbedingte Gefügeveränderung ergeben. Die Außenmantelwand des Hubkolbens kann dabei eine gesteigerte Festigkeit aufweisen.
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Die Strukturierung kann Vertiefungen mit einer Breite oder einem Durchmesser von ca. 10 μm bis ca. 100 μm, insbesondere von ca. 30 μm bis ca. 70 μm, und einer Tiefe von ca. 2 μm bis ca. 40 μm, insbesondere von ca. 5 μm bis ca. 25 μm, aufweisen. In den Vertiefungen kann, insbesondere beim Betrieb des Verdichters Schmiermittel, beispielsweise Öl haften.
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In allen erfindungsgemäßen Ausführungen kann eine reduzierte Rauheit mittels einer Feinbearbeitung, insbesondere mittels Honen und/oder Läppen, erzielt werden. Der Hubkolben kann damit eine besondere Oberflächengüte und Maßhaltigkeit aufweisen. Das Honen und/oder Läppen kann in mehreren Schritten durchgeführt sein.
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Die Außenmantelwand des Hubkolbens kann eine mittlere Rauheit Ra von ca. 0,05 μm bis ca. 0,35 μm, insbesondere von ca. 0,10 μm bis ca. 0,17 μm, aufweisen. Die Außenmantelwand des Hubkolbens kann eine gemittelte Rautiefe Rz von ca. 0,80 μm bis ca. 1,80 μm, insbesondere von ca. 1,10 μm bis ca. 1,50 μm, aufweisen. Damit weist die Außenmantelwand des Hubkolbens eine hohe Tragfähigkeit und gute Gleiteigenschaften auf.
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Die Außenmantelwand des Hubkolbens kann mit diamantartigem Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) beschichtet sein. Damit kann eine verschleißfeste und reibungsmindernde Oberfläche erzielt sein.
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Zusammenfassend und mitunter anders dargestellt kann sich somit durch die Erfindung unter Anderem eine Oberflächenstrukturierung von Kolben in Verdichtern zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften ergeben.
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Bisher wurden die Kolben in einem letzten Bearbeitungsschritt gehont oder geläppt. Dadurch wurde eine Oberflächengüte geschaffen, die einen relativ hohen Reibwert hat. Durch eine Strukturierung der Oberfläche, d. h. der Außenmantelwand des Hubkolbens, kann erfindungsgemäß die Oberflächengüte verbessert und der Reibwert vermindert werden. Zusätzlich können Ölreservoirs durch eine Strukturierung der Oberfläche erreicht werden.
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In der Oberfläche können Taschen als Ölreservoir eingebracht sein. Diese Taschen können definierte Aussparungen in der Oberfläche sein. Die Oberfläche von Kolben kann z. B. mit einem Laser bearbeitet werden. Durch diese Bearbeitung können die aufgrund der vorherigen Arbeitsschritte vorliegenden Oberflächenstrukturen verändert werden. Die Oberflächengüte und die tribologischen Eigenschaften können sich verbessern. Das Öl kann an definierte Stellen gebracht werden. Mit einem Laser können je nach Anwendungsfall in die Oberfläche Taschen, Wellen oder Rauten eingebracht werden.
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Damit können sich folgende Vorteile ergeben: Durch eine Strukturierung der Oberfläche kann insbesondere im Bereich des oberen Totpunkts der Ölfilm aufgrund der gleichmäßigen und definierten Verteilung zwischen Kolben und Buchse erhalten bleiben. Die Lebensdauer des Verdichters kann sich erhöhen. Bei einer Verbesserung der Oberflächengüte können Kolben für trocken laufende Verdichter DLC-beschichtet (diamond-like carbon) werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Konkrete Merkmale dieses Ausführungsbeispiels können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen schematisch und beispielhaft:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Haushaltskältegeräts mit einem Kältemittelkreislaufsystem,
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2 einen Ausschnitt eines Verdichters eines Kältemittelkreislaufsystems in Schnittansicht,
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3 ein Diagramm zu einer Struktur einer Oberfläche eines Kolbens eines Verdichters und
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4 eine räumliche Darstellung einer Struktur eines Oberflächenausschnitts eines Kolbens eines Verdichters.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Haushaltskältegeräts 1 mit einem Kältemittelkreislaufsystem. Das Haushaltskältegerät 1 weist einen wärmeisolierten Innenbehälter 2 mit einem kühlbaren Innenraum 3, 4 für Kühlgut auf. Zur Kühlung ist eine hier teilweise gezeigte Kältemaschine vorgesehen, die dem Innenraum 3, 4 beim Betrieb Wärme entzieht und nach außen abgibt. Gegebenenfalls kann dem Aufnahmeraum auch Feuchtigkeit entzogen werden.
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Die Kältemaschine kann insbesondere als Kältemittelkreislauf mit wenigstens einem Verdichter 5, einem Verflüssiger und einem Verdampfer ausgeführt sein.
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Das in 1 dargestelltes Haushaltskältegerät 1 weist einen Korpus 6 auf, in dem der Innenbehälter 2 aufgenommen ist. Der Innenbehälter 2 ist in einen oben angeordneten Gefrierraum 3 und einen unten angeordneten Kühlraum 4 aufgeteilt. Der Gefrierraum 3 dient im Allgemeinen zum Tiefgefrieren von Gefriergut bei ca. minus 18 Grad Celsius. Dem Gefrierraum 3 ist ein erster Verdampfer 7 zugeordnet, der hinter einer Gefrierraumrückwand 8 angeordnet ist. Der Gefrierraum 3 ist bei geöffnetem Gefrierraumtürblatt 9 zugänglich. Zum Öffnen weist das Gefrierraumtürblatt 9 einen ersten Griff 10 auf.
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Der Kühlraum 4 dient im Allgemeinen zum frostfreien Kühlen von Kühlgut vorzugsweise bei Temperaturen zwischen plus 4 und plus 8 Grad Celsius. Der Kühlraum 4 kann jedoch auch als Null-Grad-Fach, insbesondere zum Frischhalten von Obst oder Gemüse ausgebildet sein oder ein solches umfassen. Der Kühlraum 4 weist eine Rückwand 11 auf, hinter der ein zweiter Verdampfer 12 angeordnet ist. Der zweite Verdampfer 12 dient zum Kühlen des Kühlraums 4. Der Kühlraum 4 ist bei geöffnetem Kühlraumtürblatt 13 zugänglich. Zum Öffnen weist das Kühlraumtürblatt 13 einen zweiten Griff 14 auf.
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Ein einzelner Verdampfer, oder der erste Verdampfer 7 und der zweite Verdampfer 12, bzw. eine beliebige Anzahl von Verdampfern können an den Verdichter 5 angeschlossen sein. Der Verdichter 5 ist von der Rückseite aus, d. h. hinter der Rückwand 11 des Kältegeräts 1, in einen Maschinenraum 15 des Gehäuses 16 eingesetzt.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines Verdichters 17 eines Kältemittelkreislaufsystems eines Kältegeräts in Schnittansicht. Der Verdichter 17 weist ein hermetisch abgeschlossenes Verdichtergehäuse 18, einen rohrförmigen Sauganschluss 19 und eine innerhalb des Verdichtergehäuses 18 angeordnete, vorzugsweise zylinderförmige Kompressionskammer 20 als Hauptkomponente einer Kompressionsvorrichtung auf. Letztere umfasst als weitere Komponenten vorzugsweise eine Ventilplatte mit einem Ansaug- und einem Ausstoßventil, die die Kompressionskammer 20 kolbenstirnseitig abschließt, sowie ein Deckelelement, das die Ventilplatte überdeckt. Gegebenenfalls kann die Ventilplatte auch entfallen und das Ansaug- sowie Ausstoßventil in dem Deckelement integriert sein.
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Die Kompressionskammer 20 ist stirnseitig mit einer Kappe 21 abgeschlossen, die die Ansaugöffnung 22 der Kompressionskammer 20 aufweist. Innerhalb der Kompressionskammer 20 ist ein mittels eines Antriebs 27 längs seiner axialen Längsachse bewegbarer Kolben 23 angeordnet. Mittels des Kolbens 23 ist das Volumen der Kompressionskammer 20 veränderbar. Damit kann im Betrieb des Verdichters 17 durch die Ansaugöffnung 22 in die Kompressionskammer 20 einströmendes Gas, insbesondere Kältemittel, verdichtet werden. Ein Auslass der Kompressionskammer 20, durch den das verdichtete Gas bzw. das verdichtete Kältemittel aus der Kompressionskammer 20 geleitet wird, ist der Übersicht halber in der Figur nicht näher gezeigt.
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Der Sauganschluss 19 ragt vorliegend mit einem seiner Enden 24, das stutzenförmig ausgebildet ist, durch eine Öffnung 25 des Verdichtergehäuses 18 in das Innere des Verdichtergehäuses 18. Der Kolben 23 ist mittels einer Kolbenstange 26 mit einem Antrieb 27, beispielsweise einem Rotationsantrieb oder einem Linearantrieb, kraft- und bewegungsübertragend verbunden.
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Beim Betrieb des Verdichters 17 bewegt sich der Kolben 23 oszillierend zwischen einer unteren Totpunkstellung, in der die Kompressionskammer 20 ein maximales Volumen aufweist und einer oberen Totpunktstellung, in der die Kompressionskammer 20 ein minimales Volumen aufweist. Dabei bildet eine vom Kolben 23 überstrichene Innenwand der Kompressionskammer 20 eine Grundfläche und eine radial äußere Oberfläche des Kolbens, die der Innenwand der Kompressionskammer 20 zugeordnet ist, bildet eine zur Grundfläche relativ bewegte Gegenfläche.
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Bei der Bewegung treten zwischen Grundfläche und Gegenfläche Reibungskräfte auf. Zur Verringerung der Reibungskräfte wird ein Schmiermittel, wie Schmieröl, verwendet. Die Grundfläche, die Gegenfläche und das Schmiermittel bilden beim Betrieb des Verdichters 17 ein tribologisches System. Es treten Flüssigkeitsreibung und Mischreibung bis hin zur Grenzreibung auf.
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3 zeigt ein Diagramm 28 zu einer Struktur einer Außenmantelwand 31 eines Hubkolbens 23 eines Verdichters 5. Dabei sind auf der Abszissenachse eine Messstrecke in mm und auf der Ordinatenachse Oberflächenhöhen in μm aufgetragen. Die durch die Außenmantelwand 31 gebildete radial äußere Oberfläche des Kolbens, die der Innenwand der Kompressionskammer 20, d. h. der Innenmantelwand des Arbeitsraums 20 zugeordnet ist und eine Gegenfläche bildet, weist eine reduzierte Rauheit sowie eine gezielt eingebrachte Strukturierung auf. Ein Oberflächenbereich mit reduzierter Rauheit ist in 3 mit 29 bezeichnet, eine Strukturierung ist in 3 mit 30 bezeichnet. Der Oberflächenbereich 29 mit reduzierter Rauheit kann eine mittlere Rauheit Ra von ca. 0,05 μm bis ca. 0,35 μm, insbesondere von ca. 0,10 μm bis ca. 0,17 μm, aufweisen. Vorliegend weist der Oberflächenbereich 29 mit reduzierter Rauheit eine mittlere Rauheit Ra von ca. 0,134 μm auf. Der Oberflächenbereich 29 mit reduzierter Rauheit kann eine gemittelte Rautiefe Rz von ca. 0,80 μm bis ca. 1,80 μm, insbesondere von ca. 1,10 μm bis ca. 1,50 μm, aufweisen. Vorliegend weist der Oberflächenbereich 29 mit reduzierter Rauheit eine gemittelte Rautiefe Rz von ca. 1,289 μm auf. Die Strukturierung 30 kann Vertiefungen mit einer Breite oder einem Durchmesser von ca. 10 μm bis ca. 100 μm, insbesondere von ca. 20 μm bis ca. 70 μm, und einer Tiefe von ca. 2 μm bis ca. 40 μm, insbesondere von ca. 5 μm bis ca. 25 μm, umfassen. Vorliegend umfasst die Strukturierung 30 Vertiefungen mit einer Breite von ca. 20 μm und einer Tiefe von ca. 15 μm.
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Die reduzierte Rauheit kann durch eine Feinbearbeitung, wie Honen und/oder Lappen, erzielt sein. Die Feinbearbeitung kann in mehreren Arbeitsgängen erfolgen. Insbesondere kann zunächst ein Vorhonen und gegebenenfalls nachfolgend ein Zwischenhonen erfolgen. Die Strukturierung 30 kann durch eine Laserbearbeitung erzielt sein. Dabei brennt ein Laser, beispielsweise ein Nd/YAG-Laser, eine definierte Struktur in die Oberfläche eines Kolbens. Es entstehen Schmierstofftaschen, die die Form eines offenen, kommunizierenden Kanalsystems haben können, oder als geschlossene Mikrodruckkammern ausgebildet sein können. In einem weiteren Arbeitsgang, beispielsweise durch Fertighonen, können bei der Laserbearbeitung verursachte Schmelz- und Oxidaufwürfe entfernt und die extrem feine Oberfläche erzeugt werden. Die raue Struktur der Schmierstofftaschen wirkt sich auf die Haftung und die Verweildauer des Schmiermittels an der Oberfläche günstig aus, sodass sich im Betrieb eine Reibung zumindest weitgehend als Flüssigkeitsreibung ausbilden. Bei dieser hydrodynamischen Schmierung entsteht nur eine vernachlässigbare Relativbewegung zwischen Schmiermittel und der jeweils benetzten Bauteiloberfläche. Eine Relativbewegung erfolgt im Wesentlichen innerhalb des Schmiermittels.
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4 zeigt ausschnittsweise eine räumliche Darstellung einer Struktur einer Außenmantelwand 31 eines Hubkolbens 23 eines Verdichters 5.
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Gegebenenfalls kann die Außenmantelwand 31 des Hubkolbens 23 mit diamantartigem Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) beschichtet sein. Die beschichtete Oberfläche weist eine hohe Härte, beispielsweise eine Vickershärte von ca. 1000 HV bis ca. 5000 HV, und gute Reibeigenschaften, beispielsweise einen Reibkoeffizient gegen Stahl, ungeschmiert, von ca. 0,1, auf. Die beschichtete Außenmantelwand 31 ist vergleichsweise wenig spröde und kann polymerartige Eigenschaften aufweisen. Außerdem weist die beschichtete Außenmantelwand 31 eine hohe Beständigkeit gegen viele Chemikalien auf. Eine Abscheidung der DLC-Schicht auf der Außenmantelwand 31 des Hubkolbens 23 kann mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens (PACVD – Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition, plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase) erfolgen. Gegebenenfalls kann alternativ die DLC-Schicht auf der Oberfläche des Hubkolbens 23 mittels eines PVD-Verfahrens (PVD – Physical Vapour Deposition, physikalische Abscheidung aus der Gasphase) erfolgen. Bei Verwendung einer DLC-Schicht kann gegebenenfalls auf eine Schmierung verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006042021 A1 [0002]
