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Kolbenmaschine für gasförmige Medien Die Erfindung bezieht sich auf
eine Kolbenmaschine für gasförmige Medien, insbesondere Kolbenverdichter, deren
Saugraum zur Verminderung der Aufheizung des angesaugten Gases vor dem Eintritt
in den Zylinder gegenüber dem Druckraum thermisch isoliert ist.
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Bei Kolbenverdichtern, wie auch bei Otto- und Diesehnotoren, wirkt
sich bekanntlich eine zu hohe Eintrittstemperatur des angesaugten Mediums in der
Weise aus, daß Förderleistung bzw. Wirkungsgrad absinken. Die genannten Kolbenmaschinen
lassen oftmals eine Aufheizung des angesaugten Gases durch heiße Bauteile nicht
vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an Kolbenmaschinen, insbesondere
an Kolbenverdichtern, eine Verminderung des Wärmeübergangs von den heißen Bauteilen
zum angesaugten Medium zu erzielen.
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Es sind bereits zahlreiche Vorschläge bekanntgeworden, durch die die
angeführten Mängel beseitigt werden sollten. Das einfachste Mittel, nämlich möglichst
große räumliche Entfernung der »heißen« und :>kalten« Bauteile, ist aus baulichen
Gründen und wegen Vergrößerung des schädlichen Raumes meist nicht gangbar. Ein aus
gut wärmeleitendem Werkstoff hergestellter Ventilkörper oder Zylinderkopf fördert
den Wärmeabfluß nach außen und zugleich auch den internen Wärmeaustausch. Erfolgreicher
ist zwar die Verwendung von Flüssigkeitskühlung bei nicht zu hohem Verdichtungsverhältnis,
doch sind auch die hierdurch erreichbaren Verbesserungen begrenzt.
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Wegen des insbesondere bei Verwendung sogenannter konzentrischer Ventile
starken inneren Wärmeflusses wurden luftgekühlte Verdichter mit Kühleinrichtungen
innerhalb des Verdichterraumes versehen oder auch mit Kühlkanälen im Zylinderkopf
zwischen dem Saug- und dem Druckteil ausgestattet. Neben dem konstruktiven Aufwand
und dem Leistungsbedarf für die Kühlluft ist bei der erstgenannten Maßnahme die
Vergrößerung des schädlichen Raumes nachteilig, während im zweiten Fall die Kühlwirkung
vor allem in der Nähe des Saugventils unzureichend ist.
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Ein weiterer bekannter Vorschlag geht dahin, zwischen dem Saugraum
und dem Druckraum einen Trennkörper einzusetzen, der gegebenenfalls hohl ausgebildet
sein kann. Der Nachteil einer derartigen Anordnung ist vor allen Dingen darin zu
sehen, daß der hohle Trennkörper einen verhältnismäßig sehr großen Raumbedarf hat,
der die praktische Verwendbarkeit dieses Vorschlages sehr gering erscheinen läßt.
Außerdem sind die hohlen Trennkörper teuer, ohne daß mit ihnen befriedigende Verbesserungen
erzielt werden könnten.
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Die den Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung an Kolbenmaschinen
gestattet eine wesentlich stärkere Verminderung des Wärmeüberganges von heißen Bauteilen
zum angesaugten Medium, als dies durch die bisher angewandten Mittel möglich war.
Eine weitere Steigerung der Wärmedämmung kann durch die zusäzliche Anwendung der
erfindungsgemäßen Einrichtung neben einer beispielsweise an der Maschine bereits
vorgesehenen Wasserkühlung erzielt werden. Die wesentlichen Erfindungsmerkmale dieser
Einrichtung bestehen darin, daß den Ansaugweg bildende Bauteile, die durch das verdichtete
Gas, durch heiße Teile oder durch das erwärmte Kühlmittel aufgeheizt werden können,
entweder von diesen Teilen oder Medien durch eine auf den Bauteilen oberflächlich
aufgebrachte Schicht aus festem Isolierstoff thermisch getrennt sind oder aus Isolierstoff
bestehen. Der feste Isolierstoff kann in Form von Rohrstücken, von flachen Ringen
oder von Formstücken verwendet sein. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit,
den festen Isolierstoff in Form einer an den Bauteilen haftenden, durch Aufstreichen,
Aufspritzen oder durch Wickeln von Bändern oder Fäden hergestellten Schicht zu verwenden.
Selbstverständlich kann zusätzlich zu der festen Isolierung eine ruhende
Gas-
oder Dampfschicht innerhalb eines im wesentlichen abgeschlossenen Hohlraumes thermisch
in Serie oder parallel geschaltet sein, wobei gegebenenfalls der Hohlraum z. B.
zum Druckausgleich oder zur Ableitung von Kondensat mit einer oder mehreren Öffnungen
versehen ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Hohlraum auf einer
Seite von einem Einbauteil, z. B. einem Rohr aus thermischem Isolierstoff, begrenzt
sein. Es ist natürlich auch eine Anordnung denkbar, bei welcher der Hohlraum auf
einer Seite von einem Einbauteil, z. B. einem Rohr aus Metall, gebildet ist, der
mindestens einseitig mit einem festen, thermisch isolierenden Belag versehen ist.
Der Einbauteil kann von heißen und/oder kühlen Bauteilen durch Ringe, Distanzstücke
oder andere Teile mit hohem Wärmewiderstand getrennt sein. Der den Hohlraum bildende
Einbauteil, z. B. ein Rohr, kann zugleich die Ansaugleitung bilden und gegebenenfalls
ein vorzugsweise gleichfalls wärmeisolierend ausgebildetes Ansaugfilter tragen.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 und 3 zeigen den Zylinderkopf mit einem eingesetzten konzentrischen Ventil
im Längsschnitt; aus Fig. 2 ist eine Einzelheit in größerem Maßstab ersichtlich.
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Zwischen dem Kompressorzylinder 1 und dem Zylinderkopf 2, die
an mehreren Stellen 6 des Umfanges durch nicht gezeichnete Spannschrauben zusammengehalten
werden, sind die einzelnen Teile des Ventilkörpers, und zwar der Saugventilsitz
3 a, der Saugventilfänger 3 b, der Druckventilsitz 4 a und der Druckventilfänger
4 b, festgeklemmt. Die beiden Saugventilteile sind durch die Mittelschraube 5 starr
miteinander verbunden. Die Saugventilplatte 7 und die ringförmige Druckventilplatte
8 sitzen mit ihren zugehörigen Federorganen axial beweglich jeweils zwischen Sitz
und Fänger. Das zu fördernde Gas strömt durch den Ansaugstutzen 9 und das Saugventil
in den Zylinder und wird aus diesem durch das Druckventil und den Druckstutzen 10
in die Verbrauchsleitung gepreßt (Fig. 1 und 3).
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist der Ansaugstutzen 9
durch einen thermisch isolierenden Belag 11 aus nichtmetallischem Werkstoff ausgekleidet.
Hierzu kann je nach der jeweils auftretenden Erwärmung Gummi, Schaumstoff, Asbest,
Poly tetrafluoräthylen od. dgl. verwendet werden. Bei Anwendung von Faserstoffen
als Isolation, z. B. von Glaswolle, wird es zweckmäßig sein, die isolierende Schicht
zwischen dem Ansaugstutzen und einem mit Abstand in diesem eingesetzten Rohr aus
Metall oder Kunststoff einzubetten. Eine isolierende Schicht kann auch zusätzlich
oder allein am Außenmantel des Ansaugstutzens 9 angebracht sein. Um auch den Wärmeübergang
von den heißen Teilen 4a, 4 b des Druckventils zu den Teilen 3 a, 3 b des
Saugventils weitgehend herabzusetzen, können diese Teile (wie aus Fig. 2 ersichtlich)
gleichfalls durch thermisch isolierende Schichten, wie z. B. flache Ringe 11
b, 11 d
oder kurze Rohrstücke 11 c, 11 e voneinander getrennt sein.
Es können ferner an den Bauteilen haftende Schichten durch Aufstreichen oder Aufspritzen
einer isolierenden Masse oder durch Umwickeln mit Bändern oder Fäden hergestellt
werden.
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Die thermische Isolation kann sich auf verschiedene, im Ansaugbereich
liegende Bauteile erstrecken. So ist es möglich, z. B. das Ansaugfilter, ein allenfalls
vorhandenes Absperrventil der Saugleitung, das Verbindungsrohr zwischen Filter und
Ansaugöffnung der Maschine oder bei Maschinen mit doppeltwirkendem Zylinder bzw.
mit mehreren Zylindern die gemeinsame Ansaugleitung ganz oder teilweise aus einem
thermisch isolierenden Werkstoff herzustellen.
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Zur thermischen Isolation der Oberfläche heißer Bauteile läßt sich
auch eine ruhende Schicht eines Gases oder Dampfes verwenden. Ruhende Kühlluft hat
gegenüber der bei Kolbenverdichtern bereits angewandten Durchströmkühlung den Vorteil
des entfallenden Energieaufwandes und der Vereinfachung und Verbilligung des konstruktiven
Aufwandes.
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In Fig. 3 ist die Isolierung des Ansaugstutzens 9 mittels einer Gas-
oder Dampfschicht dargestellt. Der übrige Aufbau des Zylinderkopfes und Ventils
stimmt mit der Ausführung nach Fig. 1 überein. In den Ansaugstutzen 9 ist mit Abstand
ein Rohr 12 koaxial eingesetzt. Letzteres bildet mit dem Ansaugstutzen 9 einen als
Ringraum ausgebildeten schmalen Hohlraum 13, der von im wesentlichen ruhender Luft
erfüllt ist. Zum Abschluß der Stirnseiten des Ringhohlraumes 13 kann einerseits
ein Flansch 14 des Rohres 12 dienen, der zwischen dem Ansaugstutzen 9 und dem Saugventilsitz
3 a eingeklemmt ist, wogegen andererseits ein Ring 15 den Hohlraum 13 nach oben
abschließt und zugleich die richtige zentrische Lage des Rohres 12 sichert.
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Der nach kurzem Betrieb je nach dem Verdichtungsgrad mehr oder weniger
stark aufgeheizte Ansaugstutzen 9 kann dank der guten Wärmedämmung der ruhenden
Gasschicht nur einen kleinen Teil seiner Wärme an das angesaugte Medium abgeben,
wobei der Hohlraum 13 verhältnismäßig schmal bemessen sein kann. Eine weitere Verbesserung
der thermischen Isolation ergibt sich bei Herstellung des Rohres 12 aus einem thermisch
isolierenden Stoff, z. B. Gummi, Asbest, einem wärmefesten Kunststoff od. dgl. Besteht
das Rohr 12 aus Metall, dann läßt sich der Wärmeübergang durch einen thermisch isolierenden
Belag auf einer oder beiden Seiten herabsetzen. In allen Fällen erscheint es auch
zweckmäßig, die Verbindungsstellen des Ansaugstutzens 9 mit dem Rohr 12, z. B. die
Teile 14 und 15, aus thermisch isolierendem Werkstoff herzustellen, wodurch unerwünschte
Wärmebrücken vermieden werden.
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Es ist ferner möglich, den Wärmeübergang noch stärker zu drosseln,
wenn die einander gegenüberstehenden Flächen des Ansaugstutzens 9 und des Rohres
12 bzw. auch die Innenfläche des Ansaugstutzens 9 in an sich bekannter Weise zur
größtmöglichen Verminderung der Wärmestrahlung ausgebildet, also z. B. so glatt
wie möglich bearbeitet sind. Eine weitere Steigerung der wärmedämmenden Wirkung
wird erreicht, wenn man den Hohlraum 13 so weit wie möglich evakuiert. Werden dazu
noch die einander gegenüberstehenden Flächen des Ansaugstutzens 9 und des Rohres
12 mit einem Spiegelbelag versehen, dann entsteht die Wirkung eines Dewarschen Gefäßes.
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In der Praxis wird es sich in verschiedenen Fällen als zweckmäßig
erweisen, den Hohlraum 13 durch wenigstens eine oder zwei öffnungen mit dem Ansaugraum
zu verbinden, um einen ständigen Druckausgleich zu gewährleisten und einen Austritt
von Kondensflüssigkeit zu ermöglichen. Eine Kondensatbildung wird z. B. bei Kältemaschinen
nicht auszuschließen sein.
Bei besonders starker Erhitzung des Zylinderkopfes
erscheint es vorteilhaft, die den Weg für das angesaugte Medium begrenzende Wand
von dem heißen Bauteil durch zwei oder mehrere in voneinander getrennten Hohlräumen
vorgesehene Gas- oder Dampfschichten zu trennen, wodurch der Wärmeübergang stärker
gedrosselt wird, als dies durch eine einzige Schicht möglich ist.
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Die Verwendung eines gesonderten Einbauteiles, z. B. eines Rohres
12 zur Bildung des Hohlraumes für die isolierende Gasschicht ergibt noch die Möglichkeit,
diesen Einbauteil zugleich auch als Ansaugleitung auszugestalten und an dieser allenfalls
das vorzugsweise gleichfalls aus thermisch isolierendem Werkstoff gebaute Ansaugfilter
anzubringen. Ferner kann dieser Einbauteil (das Rohr 12) zum Festklemmen des Saugventilteiles
herangezogen und eingerichtet werden, wenn dieser Ventilteil nicht durch den Zylinderkopf
gehalten ist.
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Ein gesonderter Einbauteil erübrigt sich bei entsprechender Gestaltung
eines Gußkörpers mit in diesem ausgesparten Hohlräumen zur Aufnahme der isolierenden
Gas- und Dampfschicht.
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Wenngleich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen
Einrichtung ein konzentrisches Ventil mit zentral sitzendem Saugventil gewählt ist,
so kann mit den durch die Erfindung gegebenen Mitteln auch bei außenliegendem Saugventil
eine wirksame Verminderung des Wärmeüberganges auf das angesaugte Medium gewährleistet
werden.
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Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich nicht auf Kolbenverdichter
mit konzentrischen Ventilen. Auch bei andersgearteten Ventilen sowie bei Otto- und
Dieselmotoren ist eine Abschirmung der heißen Flächen gegen das angesaugte Medium
erzielbar.
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Durch die erzielten Vorteile, wie z. B. Kühlhaltung der die Saugluft
führenden Teile bis zum Saugventil einschließlich und damit Verbesserung der Zylinderfüllung
und des Wirkungsgrades, sind -die geringen Anschaffungskosten reichlich wettgemacht.
Gegenüber nicht wärmeisolierenden Verdichtern u. dgl. bedeutet der Erfindungsgegenstand
einen erheblichen technischen Fortschritt.