DE102013008027B3

DE102013008027B3 - Faltbarer Ringzylinder aus Faltringen und Dichtringen

Info

Publication number: DE102013008027B3
Application number: DE201310008027
Authority: DE
Inventors: Bruno Bernhardt; Jürgen Stamm; Marc Sick
Original assignee: IEG Industrie Engineering GmbH
Current assignee: IEG Industrie Engineering GmbH
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2033-05-04

Abstract

Faltbarer Ringzylinder aus Faltringen (10), Dichtringen (11, 12), Ringzylinderkopfplatte (32), Linearführung (31), Verdichterkolben (40), Saugventil (28), Ringzylinder-Fußplatte (41), Druckventil (29).

Description

Die Erfindung betrifft einen faltbaren Ringzylinder aus Faltringen 10, Dichtringen 11, 12, einer Ringzylinderkopfplatte 32, mit einer Linearführung 31, mit Verdichterkolben 40 und einem Federdruck einstellbaren zentralen Saugventil 28. Einer Ringzylinder-Fußplatte 41, mit Federdruck einstellbarem zentralen Druckventil 29.
Bei Saughub öffnet das zentrale Saugventil 28, während das zentrale Druckventil 29 geschlossen bleibt und es wird Gas aus dem Saugraum 25 in den Verdichtungsraum 26 eingesaugt.
Bei Druckhub schließt das Saugventil 28 und das Druckventil 29 öffnet erst, wenn der einstellbare Feder-Ventildruck überschritten wird und das verdichtete Gas aus dem Verdichtungsraum 26 in den Druckraum 27 gepresst werden kann.
Ähnliche Anordnungen mit den vorstehend genannten Merkmalen sind in den ermittelten Druckschriften DE 3727989 A1 ; DE 10133102 A1 ; DE 2345136 A bekannt, bedürfen aber einiger Entwicklungen, um das Gasverdichtungsprinzip erfolgreicher und problemloser einsetzen zu können.
In allen ermittelten Druckschriften erfolgt die Abdichtung der Faltringe 10 untereinander durch Verlötungen, Verschweißungen, Verklebungen oder Bordringen, die die Faltringe 10 axial umgreifen und zur Dichtung zusammengedrückt sind. Dabei werden die Durchmesser der Faltringe 10 der Ringzylinder-Fußplatte 41 oder der Ringzylinder-Kopfplatte 32 so weit vergrößert, dass die umgreifenden dichtenden Bordringe frei eingebaut werden können.
Alle geschilderten Abdichtmaßnahmen der Durchmesser-Vergrößerungen der Faltringe 10 führen zu unberechenbaren Materialbelastungen, die weitaus größer sind, als die elastische Faltringe 10 Belastung selbst, vor allem wenn die Gasdruckbelastung im Verdichterraum 26 gegen den Dichtungsdruck steht. D. h. zum Gasdruck muss noch ein zusätzlicher ca. zehnfach axialer Dichtungsdruck aufgebaut werden.
Die linear geführten Zylinder werden in den ermittelten Druckschriften über Exzenter- oder Taumelplatten-Antriebe in sinodischen Bewegungen, als unwirtschaftlichste Gasverdichtungsbewegung geführt.
In den Druckschriften DE 3727989 A1 und DE 10133102 A1 wie in allen Kompressoren, liegen die Saug- und Druckventile 28, 29 stets nebeneinander auf einer Ringzylinder-Seite. Das führt stets zu Umlenkungen der Saug- und Druckleitungen und wesentlichen Verkleinerungen der Ventilflächen um das 10 bis 20-fache. D. h. ein Widerstandsbeiwert wird um das 100 bis 400-fache vergrößert. Das sind bei Dauerläufern unzulässige Verluste.
In der Druckschrift DE 2345136 A sind zwar auch im Ringzylinder entgegengesetzt angebrachte Ein- und Auslassventile 28, 29 vorhanden, die aber anspruchs- und konstruktionsbedingt aus elastischen flexiblen Platten bestehen, die einen Lochkranz gegen geringere Verdichtungsdrücke bis 2 bar abdichten können, aber die Vorteile der freien Ventilöffnungsquerschnitte der festen Saug- und Druckventile 28, 29 nicht erzielen können.
Nach den ermittelten Druckschriften ist es zum Beispiel nicht möglich einen CO₂-Gasverdichter für Grundwasser Wärmetauscher-Wärmepumpen zu konstruieren, der die mehrjährigen Garantieleistungen über Verdichtungsdrücke von 100 bar gewährleisten und dabei noch wirtschaftlich betrieben werden kann. D. h. die großen Vorteile der mehrfach höheren volumetrischen Kälteleistung des CO₂, gegenüber anderen Kältemitteln, der bedenkenlose Einsatz im Grundwasserbereich und der günstige Kältemittelpreis, sowie die bisher nicht erzielte günstige Energiebilanz bei der Verdichtungsarbeit können bisher nicht genützt werden.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, faltbare Ringzylinder so auszubilden, dass die genannten Nachteile beseitigt werden und der faltbare Ringzylinder auch als CO₂-Verdichter in Wärmepumpenanlagen im mehrjährigen Dauerbetrieb auch mit Drücken über 100 bar eingesetzt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abdichtung der Faltringe 10, über deren radialen Dichtflächen 17, 18 und über Dichtringe 11, 12 und deren vorgespannten radialen Dichtflächen 13.1, 14 und über die radiale Dichtfläche 13.2 der Ringzylinder-Kopfplatte 32 und über die radiale Dichtfläche 13.3 der Ringzylinder-Fußplatte 41 erfolgt. Ein zusätzlicher axialer Dichtungsdruck entfällt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Dichtflächen können gegen Gleiten profiliert werden.
Die Dichtflächen-Gestaltung nach Dichtfläche 19.1, 19.2 der 3 verhindert eine radiale Spannungszunahme an den Dichtflächen des flachgedrückten Faltringes 10.
Die Exzenter- oder Taumelplatten-Antriebe in sinodischen Bewegungen müssen in lineare gleichmäßige Verdichtungsbewegungen geändert werden. Die Antriebsleistung kann so um ca. 30% gesenkt werden. Bei angepassten Vordrücken ist eine Senkung der Antriebsleistung von ca. 50% möglich, bei gleichzeitiger Senkung der Druckdifferenz zwischen Vordruck und Verdichtungsdruck.
Nach 4 und 5 der Anmeldung müssen die großflächigen zentralen Saug- und Druckventile 28, 29 im Kopf- oder Fußraum des Faltzylinders entgegengesetzt angebracht werden um die gekennzeichneten Nachteile zu vermeiden. Andere konstruktive Maßnahmen sind nicht ersichtlich.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
1 schematischer Längsschnitt durch Teile eines faltbaren Ringzylinders aus Faltringen 10 mit eingespannten Dichtringen 11, 12 im Ansaugzustand des Ringzylinders. Dabei liegen die Faltringe 10 mit ihren Dichtflächen 17, 18 entsprechend der erforderlichen Abdichtung der Saugspannung vorgespannt an den Dichtflächen 13.1, 14 der Dichtringe 11, 12 dichtend an. Die Dicke der Dichtringe 11, 12 zwischen den parallelen Flächen 15.1, 15.2 und 16.1, 16.2 entsprechen der doppelten Dicke des Faltrings 10.
2 schematischer Längsschnitt durch Teile eines faltbaren Ringzylinders aus Faltringen 10 mit eingespannten Dichtringen 11, 12 im Enddruckzustand. Dabei liegen die Faltringe 10 mit ihren Dichtflächen 17, 18, entsprechend der erforderlichen Abdichtung der Druckspannung, vorgespannt an den Dichtflächen 13.1, 14 der Dichtringe 11, 12 dichtend an. Durch die flachgedrückten Faltringe 10 werden der Dichtring 11 elastisch auseinander und der Dichtring 12 elastisch zusammengedrückt.
3 schematischer Querschnitt durch einen Faltring 10 – Abschnitt im flachgedrückten Zustand. Die Verformung des Faltrings 10 erfolgt um den Stülpmittelpunktkreis 22 (DIN 2095). Zur Vermeidung einer zusätzlichen elastischen Verformung der Dichtringe 11, 12 während der Verformung des Faltrings 10 werden mindestens in halber Dicke des Faltringes 10 um den Stülpmittelpunkt 22, im Radius 21 des Durchmessers 20, die Dichtflächen 19.1, 19.2 als Rollreibungsflächen unter gleichbleibender Vorspannung der Dichtringe 11, 12 unter geringstem tribologischem Verschleiß, geschaffen. Dabei muss die Ecke der auslaufenden Dichtfläche 19.1 mit Fläche 24 und die Ecke der auslaufenden Dichtfläche 19.2 mit Fläche 23 im Ansaugendzustand, nach 1, mindestens horizontal gegenüber liegen.
4 schematischer Längsschnitt durch den faltbaren Ringzylinder im Ansaugendzustand mit Ringzylinderkopfplatte 32, mit einem zentralen Vorsprung der Dichtfläche 13.2, als Gegenfläche der Dichtfläche 17 des Faltrings 10, dem Verdichterkolben 40 mit Kolbenfläche 37 und ein über den Durchmesser des Verdichterkolbens 40 erstreckendes Saugventil 28, einer Druckfeder 30 mit Druckeinstellung 38. Einer Ringzylinderfußplatte 41 mit einem zentralen Vorsprung für die Dichtfläche 13.3, als Gegenfläche der Dichtfläche 17 des Faltrings 10 und ein druckeinstellbares Druckventil 29. Eine Linearführung 31 für die Ringzylinderkopfplatte 32, einen Saugraum 25, den Verdichtungsraum 26 und den Druckraum 27.
5 schematischer Längsschnitt durch den faltbaren Ringzylinder im Enddruckzustand mit ausgestoßenem Verdichtungsraum 26 über Druckventil 29 in den Druckraum 27 und dem verbleibenden Totraum 39.
Bezugszeichenliste

10: Faltring
11: Dichtring
12: Dichtring
13.1: Dichtfläche
13.2: Dichtfläche
13.3: Dichtfläche
14: Dichtfläche
15.1: Parallele Fläche
15.2: Parallele Fläche
16.1: Parallele Fläche
16.2: Parallele Fläche
17: Dichtfläche
18: Dichtfläche
19.1: Dichtfläche
19.2: Dichtfläche
20: Durchmesser
21: Radius
22: Stülpmittelpunkt
23: Fläche
24: Fläche
25: Saugraum
26: Verdichtungsraum
27: Druckraum
28: Saugventil
29: Druckventil
30: Druckfeder
31: Linearführung
32: Ringzylinder-Kopfplatte
33: Sauggasbehälter
34: Druckgasbehälter
35: Verbindungsflansch
36: Druckaufnahmeplatte
37: Kolbenfläche
38: Druckeinstellung
39: Totraum
40: Verdichterkolben
41: Ringzylinderfußplatte

Claims

Faltbarer Ringzylinder aus Faltringen (10) mit Dichtflächen (17, 18), aus Dichtringen (11, 12) mit Dichtflächen (13.1, 14) einer Ringzylinder-Kopfplatte (32) mit Dichtfläche (13.2) und Linearführung (31), mit Verdichterkolben (40) und einem Federdruck einstellbaren zentralen Saugventil (28), einer Ringzylinder-Fußplatte (41) mit Dichtfläche (13.3) und einem Federdruck einstellbarem zentralen Druckventil (29), dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtflächen (13.1, 13.2, 13.3, 14, 17, 18) radiale Dichtflächen sind, – die Abdichtung der Faltringe (10) über deren radiale Dichtflächen (17, 18) und den Dichtringen (11, 12) und deren vorgespannten radialen Dichtflächen (13.1, 14) sowie über die radiale Dichtfläche (13.2) der Ringzylinder-Kopfplatte (32) und über die radiale Dichtfläche (13.3) der Ringzylinder-Fußplatte (41) erfolgt, – wobei zwei Faltringe (10) stets radial mit einem Dichtring (11, 12) und jeweils einem Faltring (10) radial über die Dichtflächen (13.2, 13.3) der Ringzylinder-Kopfplatte (32) und Ringzylinder-Fußplatte (41) Saug- und Druckgas dichtend anliegen, – die Faltringe (10) im Enddruckzustand übereinander zum Liegen kommen, – und durch die flachgedrückten Faltringe (10) der Dichtung (11) elastisch auseinander und der Dichtring (12) elastisch zusammengedrückt wird.
Faltbarer Ringzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (17, 18, 13.1, 13.2, 13.3, 14, 19.1, 19.2) gegen Gleiten leicht profiliert werden.
Faltbarer Ringzylinder nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (17, 18) als Rollreibungsflächen (19.1, 19.2) ausgeführt sind.
Faltbarer Ringzylinder nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen über die Linearführung (31) bei einem Verdichtungs- und Saugvorgang gleichmäßige langhubige Verdichtungs- und Saugbewegungen mit Endlagendämpfungen sind.
Faltbarer Ringzylinder nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die großflächigen sich über den Verdichterkolben (40) erstreckenden zentralen Saug- und Druckventile (28, 29) im Kopf- oder Fußraum des Faltzylinders entgegengesetzt angebracht sind.
Faltbarer Ringzylinder nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der faltbare Ringzylinder mit Ventilen und mechanischer Führung mit mechanischem Antrieb von einem wärmeisolierenden Sauggasbehälter (33) und einem wärmeisolierendem Druckgasbehälter (34) isolierend umschlossen ist.
Faltbarer Ringzylinder nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stets zwei faltbare Ringzylinder, über eine Antriebsachse angetrieben, bei jedem Hub eine Verdichtungsarbeit W₁ und Verdrängerarbeit W₂ leisten und die Ansaugarbeit W₃ dabei überlagert wird.