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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Auslaßventil
für einen
Spiralverdichter und insbesondere ein Ventil, das zwischen der Verdichtungsstufe
des Verdichters und seiner Hochdruckkammer angeordnet ist.
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Die
Erfindung geht aus von einem Ventil für einen Spiralverdichter, wie
es aus
US 6 179 589
B1 bekannt ist. Der dort dargestellte Spiralverdichter weist
eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer auf, die durch eine
Verdichtungsstufe voneinander getrennt sind, an deren Ausgang ein
Auslaßventil
angeordnet ist, das in einer geschlossenen Position den Durchgang
des Gases von der Hochdruckkammer zu der Verdichtungsstufe verhindert. Das
bekannte Ventil ist durch einen gestuften Ventilsitz gebildet, mit
dem ein Ventilelement zusammenwirkt. Das Ventilelement hat eine
sphärische
Form, ist also konvex ausgebildet. Bei einer derartigen Aus bildung
ergibt sich ein beträchtliches
Totvolumen. Darüber
hinaus ergeben sich aufgrund der Kanten im Ventilsitz Verwirbelungen
und Turbulenzen, die zu einem hohen akustischen Geräuschpegel
führen.
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Das
Ventil nach der Erfindung ist gleichermaßen anwendbar bei Spiralverdichtern,
die ein feststehendes Spiralelement und ein orbitierendes Spiralelement
aufweisen, wie auch bei Verdichtern, in denen beide Spiralelemente
bewegt werden können.
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1 der beigefügten schematischen
Zeichnung zeigt einen Spiralverdichter, in dem eines der Spiralelemente
festgelegt ist und das andere bewegt werden kann.
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Solch
ein Spiralverdichter weist ein Gehäuse 2 auf, dessen
oberer Teil durch einen Deckel 3 gebildet ist. Das Gehäuse 2 ist
in zwei Kammern aufgeteilt, eine Niederdruck-Gaseinlaßkammer 4 und
eine Hochdruckkammer 5 zum Auslaß des komprimierten Gases.
Diese beiden Kammern sind durch eine Gasverdichtungsstufe 6 getrennt.
Das Gas wird in die Niederdruckkammer über eine Einlaßöffnung 7 eingelassen
und das verdichtete Gas wird von der Hochdruckkammer 5 über eine Öffnung 8 herausgelassen.
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Die
Verdichtungsstufe 6 besteht aus einem festgelegten Spiralelement 9 und
einem orbitierend beweglichen Spiralelement 10, wobei diese
beiden Elemente einander durchdringende Teile aufweisen und zusammen
Verdichtungstaschen 12 bilden. Das orbitierende Spiralelement 10 wird
durch eine Welle 13 angetrieben, wobei die Bewegung der
Welle 13 durch einen Motor 14 bewirkt wird.
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Während der
orbitierenden Bewegung des Elements 10 haben die Verdichtungstaschen 12 ein Volumen,
das allmählich
von der Außenseite,
wo das Gas in die Niederdruckkammer zugeführt wird, in Richtung auf das
Innere abnimmt, wo das verdichtete Gas in der Mitte der Verdichtungsstufe 2 in
Richtung auf die Hochdruckkammer 5 durch ein Ventil verläßt, das
durch das allgemeine Bezugszeichen 15 in 1 bezeichnet ist.
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Dieses
Ventil ist ein Auslaßventil,
das den Rückfluß von Fluid
von der Hochdruckkammer 5 zu den Verdichtungstaschen 12 verhindert.
Dieses Ventil spielt eine Rolle nicht nur beim Herunterfahren des Verdichters,
sondern auch im Betrieb insoweit, daß wenn die Verdichtungsstufe
ein festgelegtes Verdichtungsverhältnis hat und wenn die letzte
Verdichtungstasche in Verbindung mit der Auslaßöffnung des Gases steht, der
Druck kleiner sein kann als der Druck in der Hochdruckkammer 5.
Das Ventil isoliert deswegen die Kammer 5 von den Verdichtungstaschen,
wenn der Druck stromaufwärts
des Ventils kleiner als der Druck in der Hochdruckkammer ist.
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Es
gibt verschiedene Lösungen
zum Erzeugen von Ausgangsventilen. Einige Ventile bestehen aus einer
oder mehreren Lamellenplatten, die frei sind oder mit Federn kombiniert
sind.
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Andere
Ventile, so wie diese, die im Dokument
JP 08 319 973 A beschrieben
sind, weisen eine im Querschnitt konvexe Form auf, die eine aktive Oberfläche hat,
die gerundet ist oder eine kegelstumpfförmige Form hat.
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Die
verschiedenen auf dem Markt bekannten Ventile haben eine Anzahl
von Nachteilen und erzeugen insbesondere ein beträchtliches
Totvolumen stromaufwärts
des Ventils, was es dem Gas erlaubt, sich in die nachfolgende Tasche
auszudehnen, hohe Druckabfälle
ergibt, turbulenten Fluß erzeugt,
was zu einem hohen akustischen Betriebsgeräuschpegel führt, wobei einige von ihnen
eine große
Masse aufweisen, was zu einer langen Reaktionszeit führt und einen
Pfad für
das Gas zur Verfügung
stellt, der Kanten hat, die den Fluidstrom stören.
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DE-PS
326 599 zeigt ein ebenes Plattenringventil, mit dem ein Flüssigkeitsstrom
gesteuert wird. Das Plattenringventil weist einen zentralen profilierten
Körper
auf, der in eine Öffnung
zum Auslassen der Flüssigkeit
hineinragt. Die äußere achssymmetrische
Oberfläche
dieses profilierten Körpers
ist konkav und von im allgemeinen toroidaler Form. Die Auslaßöffnung verjüngt sich
stromabwärts.
Eine ringförmige
Ventilplatte wird durch Federn in Richtung auf die Öffnung gedrückt. Die
Federn sind in einem Halter mit vier sternförmig angeordneten Armen angeordnet.
Die Ventilplatte ist zentrisch auf dem Halter geführt. Dort,
wo keine Federn vorgesehen sind, gibt es keinen Rückhalt für die Ventilplatte.
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US 4 548 234 zeigt eine
Auslaßventilanordnung,
bei der ein Ventilelement durch zwei Blattfedern in Schließstellung
gehalten wird. In der Schließstellung
liegt das Ventilelement an einem Ventilsitzelement an, das auf seiner
dem Ventilelement zugewandten Oberfläche eine konische Anlagefläche aufweist.
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US 5 469 884 A zeigt
ein Rückschlagventil für eine Meßleitung
mit einem Ventilelement, das mit einem durch O-Ringe gebildeten
Ventilsitz zusammenwirkt. Wenn das Ventilelement von dem Ventilsitz abgehoben
ist, dann kann das Gas an dem Ventilelement vorbeiströmen und
durch radiale Gehäuseaufweitungen
treten, die genügend
Freiraum zum Umströmen
des Ventilelements zur Verfügung
stellen. In einer anderen Ausgestaltung weist das Ventilelement selbst
O-ringförmige
Dichtungen auf, mit denen es an einer etwas sphärischen Dichtfläche anliegt.
Wenn das Ventilelement abgehoben hat, dann steht ein Strömungsraum
zur Verfügung,
der im wesentlichen etwa eine Kugelschalen-Form aufweist.
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US 6 132 191 A beschreibt
ein Rückschlagventil
für einen
Spiralverdichter, bei dem die Schließbewegung eines Ventilelements
gedämpft
wird, in dem in die Richtung, in die im übrigen der Hochdruck aus dem
Hochdruckraum am Ventilelement angreift, ein Unterdruck aus einem
Sauganschluß oder
aus einem sonstigen Unterdruckbereich wirkt. Das Ventilelement kann
unterschiedliche Formen haben, beispielsweise die Form eines T,
die Form eines Pilzes oder auch eine Zylinderform mit Spitze.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil für einen Spiralverdichter zur
Verfügung
zu stellen, das die Druckabfälle
und die Turbulenzen beim Durchgang des Gases vermindert und stromaufwärts des
Ventils ein Totvolumen so klein wie möglich begrenzt.
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Diese
Aufgabe wird jeweils durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Zu
diesem Zweck weist das Ventil, auf die sie sich bezieht, das so
gestaltet ist, daß es
mit dem Element der Verdichtungsstufe verbunden wird, das auf derselben
Seite wie die Hochdruckkammer angeordnet ist, einen zentralen profilierten
Körper
auf, der so gestaltet ist, daß er
in eine Öffnung
zum Herauslassen des Gases aus der Verdichtungsstufe hineinragt, dessen äußere achssymmetrische
Oberfläche
konkav ist, von im allgemeinen toroidaler Form ist und mit einer
Spitze abschließt,
wobei die Auslaßöffnung der
Verdichtungsstufe begrenzt wird durch eine gekrümmte Oberfläche, die in die Stromabwärts-Richtung
eine Erweiterung bildet, die mit dem zentralen profilierten Körper einen
Querschnitt für
den Durchgang von Gas zur Verfügung
stellt, der im wesentlich konstant ist, wobei Schließmittel
vorgesehen sind, um diesen Durchgang in der geschlossenen Position des
Ventils zu verschließen.
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Unter
Berücksichtigung
der Form des zentralen Teils des Ventils und insbesondere dessen
angespitztes Ende gibt es keinen Strömungswiderstand für das Gas
an diesem Ende. Weiterhin stellt die toroidale Form der äußeren Oberfläche des
Ventils eine graduelle Richtungsänderung
zur Verfügung ohne
irgendwelche Diskontinuitäten,
da es keine Kanten gibt, und der Querschnitt und die Gasgeschwindigkeit
werden im wesentlichen konstant gehalten. Das Ventil hat deswegen
einen sehr ruhigen Betrieb und die Druckabfälle sind klein. Weiterhin begrenzt
das Vorstehen des zentralen profilierten Körpers in die Öffnung zum
Auslassen des Gases aus der Verdichtungsstufe das Totvolumen.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
dieses Ventils kann mindestens ein Teil des zentralen profilierten
Körpers
axial bewegt werden, wobei es selbst ein Schließelement bildet.
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Bei
einer Ausgestaltung ist der gesamte zentrale Körper so montiert, daß er auf
einem festen zentralen Träger
gleiten kann und der Wirkung einer Feder unterworfen ist, die zwischen
dem Träger
und dem profilierten Körper
angeordnet ist, die die Betätigung
des profilierten Körpers
unterstützt,
um ihn in seine geschlossene Position zu bringen, wenn der Druck
in der Hochdruckkammer größer ist
als der Druck des Gases am Auslaß der Verdichtungsstufe.
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Nach
einer weiteren Möglichkeit
in diesem Fall ist der zentrale profilierte Körper aus zwei konzentrischen
Teilen gebildet: einem zentralen Teil, der zu einem festgelegten
Träger
gehört
und die Spitze aufweist, und einem peripheren Teil, der so montiert ist,
daß er
auf dem zentralen festgelegten Teil gleiten kann, wobei der zweite
Teil das Schließelement
bildet und das Ventil unter der Wirkung einer Feder schließt, indem
es auf die gekrümmte
Oberfläche drückt, die
die Auslaßöffnung der
Verdichtungsstufe begrenzt, wenn der Druck in der Hochdruckkammer größer ist
als der Druck am Auslaß der
Verdichtungsstufe, wobei die äußeren Oberflächen des
zentralen Teils und des peripheren Teils in Ausrichtung miteinander
sind und die toroidale Oberfläche
in der geöffneten
Position des Ventils begrenzen.
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Es
sollte bemerkt werden, daß unter
Berücksichtigung
der Formen der äußeren Oberfläche des zentralen
Körpers bzw.
der gekrümmten
Oberfläche, die
die Öffnung
zum Herauslassen des Gases begrenzt, eine Berührung des mittleren Körpers auf
der gekrümmten
Oberfläche,
die einen Sitz bildet, entlang einer Kante vorgenommen wird, so
daß es
kein Risiko gibt, daß das
Ventil auf seinem Sitz in der geschlossenen Position steckenbleibt,
wenn das Gas mit Öl
beladen ist.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des Ventils ist der zentrale profilierte Körper fixiert und ein spezielles
Ventilelement ist gestaltet, um das Ventil zu schließen.
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Nach
einer Möglichkeit
in diesem zweiten Fall endet die Auslaßöffnung der Verdichtungsstufe in
dem Boden einer Ausnehmung von im allgemeinen zylindrischer Form,
wobei der zentrale profilierte Körper
an einem Trägerkörper befestigt
ist, der in einer gewissen Entfernung von dem Boden der Ausnehmung
gehalten ist, wobei der Trägerkörper mit
einer schließenden
Platte ausgerüstet
ist, die zum Erleichtern der Schließtätigkeit der Wirkung einer Feder
unterworfen ist, und entworfen ist, um in der geschlossenen Position
des Ventils am Boden der zylinderförmigen Ausnehmung anzuliegen,
um den ringförmigen
Raum zwischen dem zentralen profilierten Körper und der Oberfläche zu verschließen, die
die Auslaßöffnung der
Verdichtungsstufe begrenzt.
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Vorteilhafterweise
weist der Trägerkörper axiale
Löcher
auf, die in die Hochdruckkammer münden, um die Oberfläche der
Schließplatte
und/oder der Feder, die auf diese Platte wirkt, dem Druck der Hochdruckkammer
zu unterwerfen.
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Auf
jeden Fall wird die Erfindung klar verstanden werden mit Hilfe der
folgenden Beschreibung und Bezugnahme auf die beigefügte schematische
Zeichnung, die einige Ausführungsformen
des Ausgabeventils durch nicht begrenzende Beispiele darstellt.
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1 ist
eine Ansicht eines Spiralverdichters im Längsschnitt mit einem Auslaßventil
gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Ansicht des Spiralelements und einer ersten Ausführungsform
des Auslaßventils im
Längsschnitt
und mit einem vergrößerten Maßstab.
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3 ist
eine perspektivische Explosionsansicht des Ventils nach 2 im
vergrößerten Maßstab.
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4 und 5 sind
zwei Ansichten des montierten Ventils der 2 und 3 in
der offenen Position bzw. in der geschlossenen Position im teilweisen
Längsschnitt.
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6 und 7 sind
zwei Ansichten einer zweiten Ausführungsform des Ventils in der
offenen Position bzw. in der geschlossenen Position im Längsschnitt.
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8 und 9 sind
zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform des Ventils in der
offenen Position bzw. in der geschlossenen Position im Längsschnitt.
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10 ist
eine Ansicht im Längsschnitt
und in der geschlossenen Position einer Variante des Ventils der 8 und 9.
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Das
Ventil, das in 2 bis 5 gezeigt
ist, ist gestaltet, um in einer Ausnehmung 16 mit im allgemeinen
zylindrischer Form aufgenommen zu werden, die in der Wand des festen
Spiralelements 9 ausgebildet ist, die auf derselben Seite
wie die Hochdruckkammer 5 des Verdichters angeordnet ist.
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Die Öffnung 17 zum
Auslassen des verdichteten Gases aus der Verdichtungsstufe ist begrenzt durch
eine gekrümmte
Oberfläche 17a,
die sich in einer Stromabwärts-Richtung
erweitert.
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Ein
Trägerkörper 18,
der durch drei Vorsprünge 21 gehalten
wird, die an der Wandplatte des festen Elements 9 befestigt
sind, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben, und an dem Boden der
Ausnehmung 16 über
drei Vorsprünge 19 anliegen,
ist in der Ausnehmung 16 montiert. Ein zentraler Körper 20 des
Ventils, der eine zylindrische Stange 22 aufweist, die
in dem Körper 18 befestigt
ist, beispielsweise durch Schrauben, durch einen Bolzen oder genietet, und
der durch einen äußeren Teil
erstreckt ist, der in einer Spitze 23 endet, ist in dem
Trägerkörper 18 montiert.
Der äußere Teil
des zentralen Körpers 20 ist erstreckt
in die Richtung stromabwärts
durch einen Kragen 24. Der Körper 20 und der Kragen 24,
die sicher verbunden sind, bilden ausgehend von der Spitze 23 eine
konkave Oberfläche 25 mit
Torusform. Diese Oberfläche 25 begrenzt
mit der gekrümmten Oberfläche 17a einen
Durchgang für
das Gas, das die Verdichtungsstufe verläßt. Der Kragen 24 erstreckt
sich zu der Ebene des Bodens der Ausnehmung 16. Eine Lamellenplatte 26,
die das Schließelement
bildet und dazu vorgesehen ist, den Gasweg zu verschließen, der
durch die Oberflächen 17a und 25 gebildet
ist, ist in dem Körper 18 montiert.
Diese Platte ist zusammen mit einer Blattfeder 27 in einer Ausnehmung
des Trägerkörpers 18 aufgenommen. Der
Trägerkörper 18 hat
Löcher 18a,
die mit der Hochdruckkammer in Verbindung stehen, so daß die Oberfläche der
Feder 27, die dieser Kammer zugewandt ist, dem Druck dieser
Kammer unterworfen ist.
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In
Praxis, wenn der Druck der Verdichtungsstufe größer ist als der Druck innerhalb
der Hochdruckkammer 5, wird das Schließelement 26 in die obere
Position gedrückt,
wie in 4 gezeigt, und wirkt dabei der Wirkung der Feder 27 entgegen. Wenn
der Druck in der Hochdruckkammer 5 größer wird als der Auslaßdruck der
Verdichtungsstufe, bewegt sich das Schließelement 26 unter
der Wirkung der Feder 27 in Richtung auf seine geschlossene
Position nach unten, wie in 5 gezeigt.
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6 und 7 zeigen
eine weitere Ausführungsform
dieses Ventils, in der dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen
wie oben bezeichnet sind. Dieses Ventil weist einen zentralen Trägerkörper 28 auf,
der an dem Spiralelement 9 mit Hilfe eines Querträgers 29 befestigt
ist, beispielsweise durch Schrauben. Das Ende dieses Körpers 28,
das auf derselben Seite wie die Öffnung 17 angeordnet
ist, hat einen kleineren Querschnitt und weist einen zentralen zylindrischen
Teil 30 auf, der erweitert wird durch einen zentralen profilierten
Teil 32, der in einer Spitze 23 endet. Ein äußerer ringförmiger Teil 33,
der unter der Wirkung einer Feder 34 freigegeben werden
kann, ist so montiert, daß er
auf dem zentralen zylindrischen Teil 30 gleiten kann, wie
in 7 gezeigt.
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Wie
ersichtlich ist, insbesondere aus 6, begrenzen
der zentrale Teil 32 und der äußere Teil 33 eine
toroidale Oberfläche 25,
die so angeordnet ist, daß sie
der gekrümmten
Oberfläche 17a zugewandt ist,
die die Öffnung 17 begrenzt.
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In
der geöffneten
Position, die in 6 dargestellt ist, ist diese
Oberfläche
kontinuierlich. Wenn der Druck in der Hochdruckkammer 5 größer wird
als der Auslaßdruck
der Verdichtungsstufe, gleitet der ringförmige Teil 33 entlang
des mittleren Teils 30 und schließt, wie in 7 gezeigt,
den Gasdurchgang, der zwischen der Oberfläche 17a und der Oberfläche 25 gebildet
ist.
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8 und 9 zeigen
eine weitere Ausführungsform,
in der dieselben Elemente durch dieselben Bezugszeichen wie oben
bezeichnet sind. In diesem Fall ist der zentrale profilierte Körper 32 so
montiert, daß er
mittels eines stangenförmigen
Hinterteils 35 innerhalb des Trägerkörpers 28 gleiten kann.
Die gesamte toroidale Oberfläche 25 wird
dann begrenzt durch den mittleren Körper 32. Dieses Ventil
ist in der geöffneten
Position bzw. in der geschlossenen Position in 8 und 9 gezeigt.
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10 ist
eine Variante des Ventils der 8 und 9,
in der die Ausnehmung 16 ein Gewinde 36 aufweist,
das es erlaubt, das Trägerelement 28 des
zentralen Körpers über einen
Schraubring 37 zu befestigen.
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Wie
aus dem Obigen ersichtlich ist, bringt die Erfindung eine beträchtliche
Verbesserung zum Stand der Technik durch zur Verfügung stellen
eines Ventils, das eine einfache Struktur hat, mit einer begrenzten
Anzahl von Teilen auskommt und die Druckabfälle, das Betriebsgeräusch und
das Totvolumen stromaufwärts
des Ventils begrenzt.
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Man
muß nicht
extra betonen, daß die
Erfindung nicht genau auf die Ausführungsformen dieses Ventils,
die oben beispielhaft beschrieben sind, begrenzt ist, sondern im
Gegenteil alle Varianten davon umfaßt.