DE10224428A1 - Kolbenverdichter, insbesondere hermetisch gekapselter Kältemittelverdichter - Google Patents
Kolbenverdichter, insbesondere hermetisch gekapselter KältemittelverdichterInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, insbesondere hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter, mit mindestens einem Zylinder und einem darin hin und her bewegbaren Kolben, der über einen Kolbenbolzen mit einer Antriebsstange verbunden ist und in seiner Mantelfläche eine umlaufende Schmiernut aufweist, wobei der Kolbenbolzen eine Längsbohrung aufweist, die mit einer Schmiermittelquelle verbunden ist.
- Ein derartiger Kolbenverdichter ist beispielsweise aus US 4 478 559 bekannt. Die Antriebsstange ist durch eine Pleuelstange gebildet, die mit einer Längsbohrung versehen ist, durch die Schmieröl von einem kurbelwellenseitigen Ende der Pleuelstange zum Kolbenbolzen gefördert wird. Im Kolbenbolzen ist eine radiale Bohrung vorgesehen, durch die das Schmieröl in die Längsbohrung gelangt. Das Schmieröl wird in der Längsbohrung nach oben gedrückt und gelangt somit in die Schmiernut, die auf der Außenseite des Kolbens umläuft. Das Öl unterstützt dort die Schmierung der Zylinder- und Kolbenlaufflächen und die Abdichtung zwischen Zylinder und Kolben.
- US 5 118 563 zeigt einen weiteren hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter, der an der Außenseite der Mantelfläche des Kolbenbolzens eine umlaufende Schmiernut aufweist, die mit der Öffnung einer Längsbohrung in der Pleuelstange in Verbindung steht und der Zufuhr von Schmieröl in das im kolbenseitigen Pleuelauge ausgebildete Bolzenlager dient. Das aus dem Bolzenlager austretende Öl gelangt anschließend in die Schmiernut an der Außenseite des Kolbens und unterstützt dort die Schmierung der Zylinder- und Kolbenlaufflächen und trägt zu einer verbesserten Abdichtung zwischen Zylinder und Kolben bei. Die auf diesem Weg zum Zylinder gelangende Ölmenge ist jedoch relativ klein. Aus diesem Grund wird zusätzlich Öl direkt über eine an der Oberseite des Zylinderblocks ausgebildete Öffnung, die in den Bereich der umlaufenden Kolbennut mündet, zugeführt, allerdings drucklos. Eine zur Verteilung des Öls im Kolbenbolzen vorgesehene Schmiernut schwächt den Aufbau eines stabilen Ölfilms im Bolzenlager.
- In vielen Fällen wird die Schmiernut in der Kolbenmantelfläche nicht immer vollständig mit Öl gefüllt, sondern es verbleibt eine gewisse Menge an Gas, vor allem im oberen Bereich der Schmiernut. Dort kann komprimiertes Kältemittelgas aus dem Verdichtungsraum des Zylinders durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder in die Schmiernut eindringen. Das dann entstehende Gas-Öl- Gemisch wird durch eine im Kolben ausgebildete Entlüftungsöffnung in den Kapselinnenraum des Verdichters gedrückt, was zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führt. Außerdem verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Verdichters, weil komprimiertes Kältemittelgas verloren geht.
- Weitere Geräusche entstehen dadurch, daß aufgrund des hohen Druckes des komprimiertes Kältemittelgases ein Teil des Gas-Öl-Gemisches durch das Ölzuführungssystem, d. h. die Längsbohrung in der Pleuelstange, in den Antrieb zurückgedrückt wird und dort aus Öffnungen in der Kurbelwelle ausgestoßen werden kann. Darüber hinaus kann dadurch eine ausreichende Schmierung der Lager, d. h. des kurbelwellenseitigen Zapfenlagers, beeinträchtigt werden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schmierung zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Längsbohrung in Schwerkraftrichtung nach unten offen ist und eine Entlüftungsöffnung nach oben aufweist.
- Durch die nach unten offene Längsbohrung wird das Schmiermittel, d. h. das Öl, das durch die Schmiermittelquelle zugeführt wird, in die Schmiernut gefördert, ohne daß hier ein Gaspolster entsteht, das das weitere Vordringen des Schmiermittels behindern würde. Allerdings reicht es nicht aus, die bisher bekannte, nach oben offene Längsbohrung im Kolbenbolzen einfach umzudrehen. In diesem Fall bildet sich nämlich eine Gasblase im Innern des Kolbenbolzens, die die Funktionssicherheit der Schmierung beeinträchtigen kann. Wenn man hingegen eine Entlüftungsöffnung der Längsbohrung nach oben vorsieht, dann kann die Längsbohrung in ausreichendem Maße mit Schmiermittel, d. h. Öl gefüllt werden. Das weiter nachfließende Öl kann dann die Schmiernut vollständig füllen. Es entsteht ein ringsum geschlossener Schmierfilm, der den Kolben auf seinem gesamten Umfang umgibt. Damit wird die Schmierung zwischen Kolben und Zylinder verbessert. Gleichzeitig wird die Dichtigkeit erhöht, so daß der Wirkungsgrad erhöht wird. Durch die verbesserten Schmierverhältnisse steigt die Lebensdauer des Verdichters.
- Vorzugsweise ist die Entlüftungsöffnung am oberen Ende der Längsbohrung angeordnet. Damit kann die in der Längsbohrung des Kolbenbolzens enthaltene kleine Gasmenge vollständig entweichen. Das Gas wird durch das zuströmende Öl aufgrund des wesentlich geringeren spezifischen Gewichts immer nach oben verdrängt.
- Bevorzugterweise ist die Längsbohrung als Durchgangsbohrung ausgebildet. Dies ist eine sehr einfache Möglichkeit, die Längsbohrung nach unten offen zu lassen und gleichzeitig am oberen Ende eine Entlüftungsöffnung vorzusehen.
- Vorzugsweise steht die Entlüftungsöffnung mit der Schmiernut in Verbindung. Das Öl kann also nicht nur nach unten aus der Längsbohrung in die Schmiernut übertreten, sondern auch nach oben. Damit ist es möglich, daß die Schmiernut von beiden Seiten her versorgt wird. Insbesondere beim Anlaufen des Verdichters ergeben sich damit wesentlich schneller die gewünschten Dichtungsverhältnisse zwischen Kolben und Zylinder.
- Vorzugsweise steht die Entlüftungsöffnung der Längsbohrung mit einem Entlüftungspfad durch den Kolben in Verbindung. Durch den Entlüftungspfad kann Gas, das bei der Zufuhr von Öl verdrängt wird, aus dem Kolben entweichen. Es besteht also nicht die Gefahr, daß sich ein Gaspolster bildet, das die Schmiereigenschaften beeinträchtigen könnte. Das Gas wird also durch die Entlüftungsöffnung zunächst nach oben verdrängt und dann weiter durch den Entlüftungspfad durch den Kolben entsorgt.
- Vorzugsweise weist der Entlüftungspfad einen größeren Strömungswiderstand für das Schmiermittel auf als die Längsbohrung und die Schmiernut. Wenn man eine relativ kleine Entlüftungsöffnung wählt, dann kann sich ein gewisser Druck im Ölsystem aufbauen. Damit ergibt sich sozusagen eine massive oder vollständige Ölfüllung, die zudem unter einem gewissen Druck stehen kann und damit zu einer verbesserten Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder führt. Gleichzeitig werden die Leckageverluste des komprimierten Kältemittelgases verringert.
- Vorzugsweise ist der Entlüftungspfad durch mindestens eine Ausnehmung zwischen Kolbenbolzen und Kolben gebildet. Durch diese Ausnehmung kann das Gas verdrängt werden. Darüber hinaus kann, wenn das Gas vollständig verdrängt worden ist, Öl nachfließen. Die Herstellung einer derartigen Ausnehmung ist relativ einfach. Sie gestattet es, den Entlüftungspfad genau dort beginnen zu lassen, wo es erwünscht ist, nämlich an einer Stirnseite des Kolbenbolzens.
- Vorzugsweise ist der Kolben hohl und die Ausnehmung erstreckt sich von der Entlüftungsöffnung bis in das hohle Innere des Kolbens. Damit wird das Innere des Kolbens als Abflußmöglichkeit für das verdrängte Gas und auch später für das nachgeförderte Öl verwendet. Im Innern des Kolbens können das Gas und das Öl keine schädlichen Auswirkungen mehr zeigen.
- Vorzugsweise ist die Ausnehmung durch eine Abflachung des Kolbenbolzens gebildet. Dadurch ergibt sich ein spaltförmiger Kanal zwischen dem Kolben und dem Kolbenbolzen. Die axiale Länge der Abflachung ist so gewählt, daß sich dieser Spalt von der Schmiernut an der Außenseite des Kolbens bis in das hohle Innere des Kolbens erstreckt, also den Innenraum, der vom Kolbenmantel begrenzt ist.
- Vorzugsweise liegt die Ausnehmung in einer durch die Schmiernut aufgespannten Ebene. Damit wird bei den beiden Bewegungs- und Beschleunigungsrichtungen des Kolbens ein gewisses Gleichgewicht beim Abfluß des Öls aufrecht erhalten. Würde man die Ausnehmung um 90° zu der dargestellten Position verdrehen, könnten Situationen auftreten, wo eine vollständige Ölfüllung nicht aufrecht erhalten werden könnte. Bedingt durch die auftretenden Trägheitskräfte beim Beschleunigen oder Abbremsen des Kolbens könnte zeitweilig mehr Öl aus der Schmiernut in die Ausnehmung verdrängt werden, als neues Öl von der Schmiermittelquelle her nachgeliefert werden kann. Dadurch könnte erneut Gas in die Schmiernut eindringen. Wenn man hingegen die Ausnehmung "mittig" anordnet, dann tritt dieser Fall nicht auf. Die Verdrängungsverhältnisse sind trotz eines abwechselnden Beschleunigens und Bremsens des Kolbens so, daß die Zufuhr von Öl weitgehend im Gleichgewicht mit der Abfuhr von Öl steht.
- Bevorzugterweise endet die Ausnehmung oberhalb einer Lagerfläche zwischen Kolbenbolzen und Antriebsstange. Das durch die Ausnehmung abfließende Öl kann dann zusätzlich einer verbesserten Schmierung des Bolzenlagers zwischen dem Kolbenbolzen und der Antriebsstange dienen. Dies vermindert weiter den Verschleiß und verbessert aufgrund einer geringeren Reibung den Wirkungsgrad.
- Vorzugsweise ist der Kolbenbolzen drehfest in der Antriebsstange gehalten und drehbar gegenüber dem Kolben gelagert. Bislang wird bei kleinen Kältemittelverdichtern der Bolzen üblicherweise im Kolben durch eine Preßpassung befestigt, also drehfest gehalten, während der Kolbenbolzen im Pleuelauge, also in der Antriebsstange, drehbar gelagert ist. Selbst wenn die Preßpassung nur auf einer Seite des Kolbenmantels ausgebildet wird, besteht die Gefahr einer geringen Verformung des Kolbens, was zu einem ungleichförmigen Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder führt. Wenn man nun den Kolbenbolzen drehfest in der Antriebsstange hält, beispielsweise, indem man ihn in eine Pleuelstange einpreßt, und ihn im Kolben drehbar lagert, kann man die Ölzuführbohrung in der Antriebsstange und die entsprechende Radialbohrung im Kolbenbolzen mit einem größeren Durchmesser herstellen. Diese beiden Bohrungen münden jetzt nicht mehr in einer Lagerfläche. Dementsprechend beeinträchtigen sie nicht mehr den Aufbau eines Schmierfilms. Durch den größeren Bohrungsdurchmesser vereinfacht sich die Bearbeitung der Antriebsstange, weil größere lange Bohrungen einfacher zu fertigen sind als entsprechend lange Bohrungen mit kleinerem Durchmesser. Schließlich wird die Verbindung zwischen der Bohrung in der Pleuelstange und der Radialbohrung im Kolbenbolzen einfacher, da zwischen diesen beiden Bohrungen keine Relativbewegung auftritt. Die genannte Art der Befestigung bietet sich insbesondere bei der Verwendung von Antriebsstangen aus Leichtmetallen oder Leichtmetallegierungen an, beispielsweise Aluminium, die aufgrund der Gewichtsersparnis und einer leichteren Bearbeitung eingesetzt werden können. Allerdings ist es bei dieser Art der Lagerung schwieriger, die beiden im Kolbenmantel ausgebildeten Lagerflächen zwischen dem Kolben und dem Kolbenbolzen ausreichend zu schmieren. Durch die angegebene Ausbildung mit einer durchgehenden Längsbohrung im Kolbenbolzen wird die Schmierung jedoch ermöglicht, da beide Lager über die durchgehende Axialbohrung im Bolzen gleichmäßig mit unter Druck stehendem Öl versorgt werden.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
- Fig. 1 eine perspektivische Längsschnittdarstellung einer Baugruppe aus Kolben, Kolbenbolzen und Antriebsstange in einem Zylinder,
- Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Kolben und
- Fig. 3 einen Schnitt III-III nach Fig. 2.
- Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Hubkolbenverdichter 1 mit einem Gehäuse 2, in dem ein Zylinder 3 angeordnet ist. In dem Zylinder 3 ist ein Kolben 4 hin und her bewegbar. Der Antrieb des Kolbens 4 erfolgt über eine Antriebsstange 5, die hier als Pleuelstange ausgebildet ist. Die Pleuelstange wird in nicht näher dargestellter, aber an sich bekannter Weise an ihrem anderen Ende an einer Kurbelwelle gelagert. Wenn sich die Kurbelwelle dreht, wird die Antriebsstange 5 in Richtung eines Doppelpfeiles 6 hin und her bewegt.
- Die Antriebsstange 5 ist über ein Pleuelauge 7, an dessen radialer Innenseite ein Bolzenlager 8 ausgebildet ist, mit einem Kolbenbolzen 9 drehbar verbunden, d. h. die Antriebsstange 5 kann sich in einem kleinen Winkelbereich gegenüber dem Kolbenbolzen 9 drehen.
- Der Kolbenbolzen 9 weist eine durchgehende Längsbohrung 10 auf. In der Wand des Kolbenbolzens 9 ist eine radiale Durchgangsbohrung 11 vorgesehen. Diese radiale Bohrung 11 steht in Überdeckung mit der Mündung einer Bohrung 12 in der Antriebsstange 5. Die Bohrung 12 verbindet die beiden Pleuelaugen der Antriebsstange 5 miteinander und dient zum Transport von Öl zur Schmierung von Kolben 4 und Kolbenbolzen 9.
- Der Kolben 4 weist in seiner Umfangsfläche eine Schmiernut 13 auf, die mit Räumen 14, 15 in Verbindung steht, die an den beiden Stirnseiten des Kolbenbolzens 9 gebildet sind. Ferner ist der Kolben 4 hohl ausgebildet, d. h. er weist einen hohlen Innenraum 16 auf.
- Der Kolbenbolzen 9 weist am oberen Ende eine Abflachung 17 auf, durch die eine Ausnehmung 18 zwischen dem Kolben 4 und dem Kolbenbolzen 9 gebildet wird. Die Länge der Abflachung 17 ist so gewählt, daß sich die Ausnehmung 18 vom Raum 14 am oberen Ende des Kolbenbolzens 9 bis in den hohlen Innenraum 16 erstreckt. Dabei endet die Ausnehmung 18 oberhalb des Bolzenlagers 8.
- Durch Pfeile 19 ist der Weg des Schmieröls eingezeichnet, der sich durch die neue Konstruktion ergibt.
- Schmieröl, das durch die Längsbohrung 12 in der Antriebsstange 5 zugeführt wird, gelangt durch die radiale Bohrung 11 in die Längsbohrung 10 im Kolbenbolzen 9. Die Zufuhr von Öl kann hierbei durchaus intermittierend oder impulsartig erfolgen. Das Öl tritt also durch die radiale Bohrung 11 in die Längsbohrung 10 im Kolbenbolzen 9 ein und fließt dann aufgrund der Schwerkraft zunächst nach unten und füllt danach die Längsbohrung 10 auf. Dabei wird Gas, das noch in der Längsbohrung 10 enthalten ist, nach oben in den Raum 14 verdrängt. Das obere Ende der Längsbohrung 10 bildet also eine Entlüftungsöffnung. Das Gas aus dem Raum 14 wird mit zunehmender Ölfüllung durch die Ausnehmung 18 in den Innenraum 16 des Kolbens 4 verdrängt und kann dann in den übrigen Bereich des Kompressors (nicht dargestellt) entweichen.
- Gleichzeitig wird die Schmiernut 13 vom unteren Raum 15 her mit Öl aufgefüllt. Restgas, das sich noch in der Schmiernut 13 befindet, wird nach oben in Richtung auf den Raum 14 verdrängt und kann ebenfalls durch die Ausnehmung 18 abfließen. Nach kurzer Zeit sind sowohl die Längsbohrung 10 im Kolbenbolzen 9 als auch die beiden Räume 14, 15 und die Schmiernut 13 vollständig mit Öl gefüllt. Weiter zugeführtes Öl wird dann über die Ausnehmung 18 in den Innenraum 16 des Kolbens 4 abfließen. Dabei gelangt Öl auch noch in das Bolzenlager 8, was zu einer Verbesserung der Schmierwirkung im Pleuelauge 7 beiträgt.
- Die Ausnehmung 18 setzt dem Öl einen vergleichsweise höheren Strömungswiderstand entgegen, so daß sich in dem Ölsystem, das durch die Längsbohrung 10, die beiden Räume 14, 15 und die Schmiernut 13 gebildet ist, ein gewisser Druck aufbauen kann. Vor allem der Druck in der Schmiernut 13 sorgt dafür, daß eine gute Schmierung und vor allem eine relativ sichere Abdichtung zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinder 3 gewährleistet wird.
- Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann der Kolbenbolzen 9 nach unten gegenüber dem bekannten Fall verlängert werden, da im Kolben 4 keine Entlüftungsbohrungen mehr freigehalten werden müssen. Dies verbessert die mechanische Stabilität. Insbesondere ist es möglich, den Kolbenbolzen 9 an beiden Enden gleich weit in den Mantel des Kolbens 4 eintreten zu lassen.
- Die Ausnehmung 18 ist in Axialrichtung des Kolbens 4 an der gleichen Position angeordnet wie die Schmiernut 13. Mit anderen Worten ist die Ausnehmung 18 in einer Ebene angeordnet, die durch die Schmiernut 13 aufgespannt wird. Damit befindet sich die Ausnehmung 18 bezogen auf die Bewegungsrichtung 6 des Kolbens 4 etwa in der Mitte des Raumes 14. Sie befindet sich also an einer Position, in der sowohl beim Beschleunigen als auch beim Bremsen des Kolbens 4 immer eine gewisse Mindestmenge an Öl vorhanden ist. Damit besteht andererseits auch keine Gefahr, daß aufgrund einer zu großen Ölmenge und eines damit einhergehenden zu großen Öldrucks in bestimmten Bewegungsphasen des Kolbens 4 eine zu große Ölmenge durch die Ausnehmung 18 abfließt, die durch die Längsbohrung 12 in der Antriebsstange 5 nicht mehr nachgefüllt werden kann.
- Natürlich kann die Ausnehmung 18 auch auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbolzens 9 ausgebildet sein, gegebenenfalls auch auf beiden Seiten des Kolbenbolzens 9. Eine einzelne Abflachung 17, die eine Ausnehmung 18 bildet, reicht jedoch in der Regel aus.
- Selbstverständlich ist es auch möglich, die Ausnehmung 18 auf andere Weise auszubilden, beispielsweise durch eine entsprechende Bearbeitung des Kolbens 4.
- Die Ausnehmung 18 beginnt praktisch an der höchsten Stelle im oberen Endbereich der Schmiernut 13. Das gesamte Ölsystem kann daher gut und schnell entlüftet werden. Man erreicht eine vollständige Ölfüllung ohne nennenswerten Restgasanteil.
- Wenn man vorsieht, daß die Antriebsstange 5 gegenüber dem Kolbenbolzen 9 drehfest gehalten ist und der Kolbenbolzen 9 im Kolben 4 drehbar gelagert ist, dann kann durch die Verlängerung des Kolbenbolzens 9 nach unten die zur Verfügung stehende Lagerfläche im unteren Bereich vergrößert werden, was sich ebenfalls günstig auf die Lebensdauer des Hubkolbenverdichters auswirkt. In diesem Fall wird die Fläche zwischen den Kolbenbolzen 9 und dem Kolben 4 auch aus den Räumen 14, 15 heraus geschmiert, wenn das Öl dort mit einem geringen Überdruck ansteht. Im übrigen ist der Ölfluß wie oben geschildert.
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R082 | Change of representative |
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