DE19515217A1 - Kältemittelverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter mit einem Kolben, der in einem Zylinder hin- und herbeweg­ bar ist, wobei der Zylinder an seiner Stirnwand eine durch ein Auslaßventil verschließbarer Auslaßöffnung aufweist, in die ein Vorsprung auf der entsprechenden Stirnseite des Kolbens hineinragt, wenn sich der Kolben im Bereich seiner Endlage befindet.

Kältemittelverdichter dieser Art werden vielfach im Haushaltsbereich für Kühlschränke und Gefrierschränke bzw. -truhen eingesetzt. Im Zuge des zunehmenden Um­ weltbewußtseins ist man seit Jahren bestrebt, derartige Kühleinrichtungen mit immer niedrigerem Energiever­ brauch zu bauen. Die Energieeinsparung läßt sich zum einen durch eine verbesserte Wärmedämmung erreichen, zum anderen auch durch eine Steigerung des Wirkungsgra­ des der Kältemittelverdichter.

Eine Maßnahme, um den Wirkungsgrad zu steigern, ist die Ausbildung eines Vorsprungs an der Stirnseite des Kol­ bens, die im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens, d. h. wenn die Stirnseite des Kolbens der Stirnwand des Zylinders so dicht wie möglich benachbart ist, in die Auslaßöffnung hineinragt. Mit Hilfe dieses Vorsprunges wird das in der Auslaßöffnung verbleibende Gasvolumen verdrängt. Ohne diesen Vorsprung würde das dort ver­ bleibende Gasvolumen lediglich komprimiert und könnte sich später wieder ausdehnen, was aufgrund eines nicht adiabatisch verlaufenden Prozesses im Kältemittel zu einem Energieverlust führt. Ein derartiger Vorsprung ist beispielsweise aus dem Danfoss-Verdichter Typ SC bekannt geworden. Eine ähnliche Anordnung ist aus US 5 149 254 bekannt.

Der Vorsprung hat jedoch den Nachteil, daß er die Strömung des Kältemittels durch die Auslaßöffnung be­ einflußt. Insbesondere kann im Endbereich der Bewegung der für die Strömung zur Verfügung stehende Querschnitt relativ klein werden, so daß das durchströmende Gas beschleunigt wird. Dementsprechend steigt die Gastempe­ ratur. Nach dem Durchströmen des Auslaßventils entste­ hen vielfach Wirbel im Gasstrom, die zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes führen, was einen höheren Energieverbrauch bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungs­ grad eines Verdichters zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einem Kältemittel-Verdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Vor­ sprung im Querschnitt unsymmetrisch ausgebildet ist.

Durch diese relativ einfache Maßnahme kann man eine bessere Anpassung des Vorsprungs an die Gasströmung durch die Auslaßöffnung erreichen. Man kann durch die entsprechende Ausbildung des Vorsprunges die Gasströ­ mung bewußt so steuern, daß weniger Wirbel auftreten und der Spalt, der sich beim Bewegen des Kolbens in seine Endlage zwischen Vorsprung und Auslaßöffnung bil­ det, einen freien Strömungsquerschnitt behält, der aus­ reicht, um die Gasströmung ohne größere Widerstände hindurchfließen zu lassen. Gleichwohl kann man das Restvolumen in der Auslaßöffnung annähernd so klein halten wie vorher mit einem symmetrischen Vorsprung.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Vorsprung eine geneigte Umfangswand aufweist, wobei sich die Neigung entlang des Umfangs ändert. Mit einer derartigen Ände­ rung der Neigung läßt sich die gewünschte Unsymmetrie des Vorsprunges relativ einfach erreichen. Die Neigung kann der jeweils zu erwartenden Gasströmung angepaßt werden, so daß man mit einfachen Mitteln die gewünschte Verbesserung der Strömungscharakteristik erreichen kann.

Vorzugsweise weist der Vorsprung in Richtung einer Hauptgasströmung eine flach geneigte Flanke auf. Diese flach geneigte Flanke verursacht eine relativ behutsame Ablenkung der Gasströmung, so daß eine Wirbelbildung hierdurch weitgehend vermieden wird. Dennoch wird der Gasstrom auch durch eine flachgeneigte Flanke in die Auslaßöffnung abgeleitet. Der Vorsprung kann das in der Auslaßöffnung befindliche Gasvolumen verdrängen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Vorsprung ex­ zentrisch auf der Kolben-Stirnseite angeordnet ist und zur Mitte der Kolben-Stirnseite hin die schwach geneig­ te Flanke aufweist. Aus mancherlei Gründen kann es wün­ schenswert sein, den Vorsprung exzentrisch zur Stirn­ seite des Kolbens anzuordnen. In diesem Fall wird die Hauptgasströmung etwa von der Mitte des Kolbens her zu erwarten sein. Daneben gibt es natürlich noch weitere Komponenten, die aus anderen Randbereichen des Kolbens auf den Vorsprung zu strömen. Man kann nun die Neigung so ausrichten, daß die Hauptströmungskomponente am we­ nigsten gestört wird.

Vorzugsweise weist der Vorsprung gegenüber der flach geneigten Flanke eine steile Flanke auf. Wenn die schwach geneigte Flanke als Vorderseite definiert wird, bildet die steile Flanke die Rückseite. Dies verbessert die Strömungscharakteristik über den Vorsprung. Insbe­ sondere ist die Gefahr, daß ein Teil der Strömung auf der "Rückseite" des Vorsprungs nicht durch die Auslaß­ öffnung herausströmt, sondern am Vorsprung herunter­ strömt, gering.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die steile Flanke im wesentlichen parallel zur Wand des Zylinders ver­ läuft. Versuche haben ergeben, daß man hierbei die be­ sten Ergebnisse erzielen kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Stirnwand des Zylinders in einem Bereich gegenüber der schwach geneigten Flanke eine Schrägfläche auf­ weist. Die Stirnwand des Zylinders ist also in diesem Bereich der Form des Vorsprungs angepaßt. Hierdurch wird bei der Bewegung des Kolbens auf die Stirnwand des Zylinders zu ein Strömungskanal ausgebildet, der gün­ stige Strömungseigenschaften hat.

Vorzugsweise ist die Grundfläche des Vorsprungs größer als die Auslaßöffnung. Trotz der Abschrägung läßt sich damit erreichen, daß der Vorsprung in zufriedenstellen­ dem Maße die Auslaßöffnung ausfüllt und das dort be­ findliche Gas verdrängt.

Auch ist bevorzugt, daß die Schrägfläche im wesentli­ chen parallel zur schwach geneigten Flanke verläuft. Beide Flächen zusammen, d. h. die Schrägfläche und die geneigte Flanke, können dadurch einen Kanal bilden, der die Strömungsrichtung des Gases festlegt. Der gewünsch­ te Winkel kann unter Berücksichtigung weiterer Randbe­ dingungen festgelegt werden.

Bevorzugterweise weist der Vorsprung eine Stirnfläche auf, die im wesentlichen parallel zu einer Fläche ver­ läuft, die durch eine Dichtfläche des Auslaßventils aufgespannt ist. Hierdurch kann der Raum, in dem sich noch Gas sammeln kann, das nicht durch den Kolben bzw. den Vorsprung verdrängt wird, sehr klein gehalten wer­ den.

Auch ist bevorzugt, daß das Auslaßventil einen Ventil­ sitz aufweist, dessen Achse gegenüber der Achse des Zylinders geneigt ist. Das Auslaßventil steht damit schräg. Insbesondere im Zusammenwirken mit der geneig­ ten Flanke und/oder der Stirnfläche des Vorsprungs, die parallel zu der durch den Ventilsitz aufgespannten Flä­ che verläuft, läßt sich hierdurch eine Strömungscharak­ teristik erreichen, bei der das Gas praktisch verwirbe­ lungsfrei durch das Auslaßventil strömt.

Weiterhin ist von Vorteil, daß in Strömungsrichtung hinter dem Auslaßventil ein Ausgangsraum angeordnet ist, der sich im wesentlichen in eine Richtung auf der dem Zylinder abgewandten Seite der Auslaßöffnung er­ streckt. Auch hierdurch wird die Neigung des Gases zur Verwirbelung herabgesetzt.

Vorzugsweise ist das Auslaßventil im wesentlichen mit einer Strömung durchströmt, deren Komponente parallel zum Schließelement des Auslaßventils im wesentlichen in eine einzige Richtung verläuft. Diese Voraussetzung war bei der Komponente senkrecht zum Schließteil bisher bereits erfüllt. Ansonsten würde das Gas nicht durch das Auslaßventil strömen können. Bei herkömmlichen Aus­ bildungen war es aber so, daß sich das Gas nach dem Durchströmen des Ventils radial zum Ventil ausbreitete, so daß zumindest in Teilbereichen eine erhebliche Ver­ wirbelung des Gases zu beobachten war. Durch die neue Ausgestaltung verläuft der Gasstrom praktisch mit einer einzigen Richtung, so daß die Gefahr einer Wirbelbil­ dung stark verringert ist.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß diese Richtung einen spitzen Winkel zur Stirnwand des Zylinders ein­ schließt. Das Gas, das insbesondere in der Schlußphase der Bewegung des Kolbens im wesentlichen parallel zur Zylinderwand fließt, muß dann seine Richtung beim und nach dem Durchströmen des Auslaßventils nur geringfügig ändern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Verdich­ ter nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbei­ spiel der Erfindung und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Verdichters.

Zur Erläuterung der Problemstellung soll anhand von Fig. 1 zunächst ein Kältemittelverdichter nach dem Stand der Technik erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Kältemittelverdichter 1 mit einem Kolben 2, der in einem Zylinder 3 in Richtung eines Doppelpfeiles 4 hin- und herbewegbar ist.

Der Zylinder 3 ist stirnseitig von einer Stirnwand 5 verschlossen, in der eine Auslaßöffnung 6 vorgesehen ist. Die Auslaßöffnung 6 ist von einem Auslaßventil 7 verschließbar, das ein Schließelement 8 aufweist, das auf einem Ventilsitz 9, der die Auslaßöffnung 6 umgibt, zur Anlage bringbar ist.

Der Kolben 2 weist an seiner Stirnseite 10 einen Vor­ sprung 11 auf, der die Form eines Kegelstumpfes hat. Wenn der Kolben 2 in Richtung auf die Stirnwand 5 des Zylinders 3 bewegt wird, wird der Vorsprung 11 in die Auslaßöffnung 6 eingeführt und trägt dazu bei, das dort befindliche Gasvolumen zu verdrängen. Hierdurch wird ein schädlicher Raum möglichst klein gehalten, in dem ansonsten das Gas nur komprimiert, aber nicht verdrängt werden würde.

Durch Pfeile 12 angedeutet ist eine Gasströmung, die sich ausbildet, wenn der Kolben 2 in Richtung auf die Stirnwand 5 des Zylinders 3 bewegt wird. Durch den Vor­ sprung 11 wird nun die Gasströmung in gewissen Berei­ chen abgelenkt, so daß sich Wirbel, die durch Pfeile 13 angedeutet sind, ausbilden. Diese Wirbel erhöhen den Strömungswiderstand, erfordern also eine zusätzliche Leistung, um das Gas durch das Ventil zu treiben. Dar­ über hinaus entstehen bei dem bekannten Kältemittelver­ dichter 1 im Endbereich der Annäherung des Kolbens 2 an die Stirnwand 5 recht enge Kanäle, die zu einer deutli­ chen Erhöhung der Gasströmungsgeschwindigkeit führen, was wiederum eine Erhöhung der Gastemperatur zur Folge hat.

In Strömungsrichtung hinter dem Ventil ist ein Aus­ gangsraum 14 angeordnet, der über einen Anschluß 15 mit einem Schalldämpfer oder einem Druckabgang des Kälte­ mittelverdichters in Verbindung steht.

Um die Verluste im Bereich des Auslaßventils zu verrin­ gern und damit den Wirkungsgrad des Kältemittelverdich­ ters zu erhöhen, wird die Form des Vorsprunges so ge­ ändert, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gegenüber Fig. 1 hat sich geändert, daß ein anderer Vorsprung 16 verwendet wird. Der Vorsprung 16 ist nicht mehr symmetrisch, wie der Vorsprung 11 nach Fig. 1, sondern unsymmetrisch ausgebildet. Er weist eine Stirn­ fläche 17 auf, die im wesentlichen parallel zur Stirn­ seite 10 des Kolbens 2 verläuft. Von dieser Stirnfläche 17 aus verläuft eine schwach geneigte Flanke 18 zur Stirnseite 10 des Kolbens 2 und zwar in die Richtung, aus der der Haupt-Gasstrom, der wiederum durch Pfeile 12 angedeutet ist, zu erwarten ist. Auf der gegenüber­ liegenden Seite (oder Rückseite) gibt es eine steile Flanke 19, die im wesentlichen parallel zur Wand des Zylinders 3 verläuft. Die Flanken 18, 19 können durch eine gemeinsame Umfangswand gebildet sein, die gegen­ über der Stirnseite 10 des Kolbens 2 geneigt ist, wobei sich die Neigung in Umfangsrichtung ändert. Die Neigung oder Steilheit ist am größten im Bereich der steilen Flanke 19 und ist am kleinsten im Bereich der schwach geneigten Flanke 18.

Eine weitere Änderung ergibt sich in der Stirnwand 5 des Zylinders. Dort ist gegenüber der schwach geneigten Flanke 18 eine Schrägfläche 20 vorgesehen, die im we­ sentlichen parallel zur schwach geneigten Flanke 18 verläuft.

Durch diese Ausbildung des Vorsprunges 16 läßt sich nun eine Gasströmung durch das Ventil 7 realisieren, die praktisch frei von Verwirbelungen ist. Wenn man den Gasstrom in Komponenten senkrecht und parallel zur Stirnseite 10 des Kolbens 2 zerlegt, dann hat die Kom­ ponente parallel zur Stirnseite praktisch nur noch eine einzige Richtung.

Diese Strömungscharakteristik wird noch durch zwei Fak­ toren verbessert. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, ist der Vorsprung 16 in der Nähe der Wand des Zylinders 3 an­ geordnet. Damit ist der Vorsprung 16 exzentrisch zum Kolben 2 angeordnet. Es ergibt sich beim Verdichten des Gases eine Strömung, die, gesehen vom Vorsprung 16 aus, eine Hauptkomponente aufweist, die aus Richtung des Mittelpunkts des Kolbens 2 kommt. Der Ausgangsraum 14 erstreckt sich radial (auf den Kolben bezogen) genau in die entgegengesetzte Richtung von der Auslaßöffnung 6 aus, so daß die Gasströmung das Auslaßventil 7 prak­ tisch ohne größere Richtungsänderung durchqueren kann. Die notwendige kleine Richtungsänderung wird sehr be­ hutsam durch die schwach geneigte Flanke 18 bewirkt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der Teile, die denen der Fig. 2 entsprechen mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen worden sind. Abgewandelte Elemente sind mit gestrichenen Bezugszeichen versehen.

Geändert hat sich gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2, daß der Ventilsitz 9′ nicht mehr parallel zur Stirnseite 10 des Kolbens 2 angeordnet ist, sondern so geneigt ist, daß die Fläche, die er aufspannt, mit der Stirnseite 10 des Kolbens 2 einen spitzen Winkel ein­ schließt. Anders ausgedrückt: Die Achse der Auslaßöff­ nung 6 schließt einen spitzen Winkel mit der Achse des Kolbens 2 ein, die parallel zur durch den Doppelpfeil 4 dargestellten Richtung verläuft. Dementsprechend ist auch das Schließelement 8′ entsprechend geneigt ange­ ordnet. Die Stirnfläche 17′ des Vorsprungs 16′ ist nach wie vor parallel zum Schließelement 8′ angeordnet. Auch sie ist dementsprechend gegenüber der Stirnfläche 10 des Kolbens 2 geneigt.

Mit dieser Ausgestaltung läßt sich eine noch bessere Steuerung der Gasströmung durch das Auslaßventil 7′ erreichen. Man kann auf diese Weise nämlich einen Strö­ mungskanal für das ausströmende Gas realisieren, der im wesentlichen über seine gesamte Länge, zumindest soweit es das Ventil 7′ betrifft, einen gleichbleibenden Quer­ schnitt beibehält. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Verdichters weiter verbessert.

Fig. 4 zeigt perspektivisch eine Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Die Stirnwand 5 des Zylinders ist hier als Ventilplatte ausgebildet. Sie erstreckt sich über den Kolben 2 seitlich hinaus.

Auf der dem Kolben 2 abgewandten Seite der Stirnwand 5 ist eine Aussparung 22 mit mehreren Stufen vorgesehen. Die unterste Stufe 30 liegt in einer Ebene unterhalb des Ventilsitzes 9. Der Ventilsitz 9 ist also frei. Das in Fig. 4 nicht näher dargestellte Schließelement 8 liegt, wenn es auf dem Ventilsitz 9 aufliegt, nicht gleichzeitig auf der untersten Stufe 30 an, so daß ein versehentliches Kleben, beispielsweise verstärkt durch einen Ölfilm, vermieden wird.

Das Schließelement 8 wird entsprechend auf einer zwei­ ten Stufe 29 aufliegen, deren Höhe annähernd so groß ist, wie die Höhe des Ventilsitzes 9 über der untersten Stufe 30. Ferner ist noch eine dritte Stufe 23 vorhan­ den, auf der eine ebenfalls nicht näher dargestellte Fangbrücke für das Schließelement 8 befestigt werden kann. Die Fangbrücke regelt die maximale Auslenkung des Schließelements 8.

Die schwach geneigte Flanke 18 des Vorsprungs 16 ist in Richtung des Mittelpunkts der Stirnfläche 10 des Kol­ bens 2 gerichtet.

In Fig. 4 ebenfalls dargestellt ist eine Saugöffnung 24 mit einem Saugventil 25. Das Saugventil 25 liegt in einer Aussparung 31 in der Stirnfläche 10 des Kolbens. Die Aussparung 31 hat ein kleines Spiel längs der Kan­ ten des Hauptventils 25. Hierdurch entstehen Kanäle, die als Gasleitkanäle für das Ausströmen der Gase die­ nen.

Schließlich ist in der Stirnwand 5 ein Montageloch 26 dargestellt, das für die Durchführung eines Schrauben­ bolzens oder eines anderen Befestigungselements be­ stimmt ist.

Ferner ist eine Bohrung 28 zu erkennen, an die der An­ schluß 15 aus dem Ausgangsraum 14 angeschlossen werden kann. Der Ausgangsraum 14 ist von einer Wand 27 umge­ ben, die auch die Bohrung 28 miteinschließt, so daß das aus dem Ventil 7 ausströmende Gas zum Anschluß 15 ge­ führt werden kann.

Selbstverständlich kann der Kältemittelverdichter auch mit mehreren Auslaßventilen ausgebildet werden, wobei durch eine unsymmetrische Ausgestaltung der Vorsprünge 16, die in die Auslaßöffnungen 6 hineinragen, eine op­ timierte Gasströmung erzielt werden kann. Je geringer die Verluste in der Gasströmung sind, desto größer ist der Wirkungsgrad des Verdichters.

Claims (14)

1. Kältemittelverdichter mit einem Kolben, der in ei­ nem Zylinder hin- und herbewegbar ist, wobei der Zylinder an seiner Stirnwand eine durch ein Auslaß­ ventil verschließbarer Auslaßöffnung aufweist, in die ein Vorsprung auf der entsprechenden Stirnseite des Kolbens hineinragt, wenn sich der Kolben im Bereich seiner Endlage befindet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vorsprung (16, 16′) im Quer­ schnitt unsymmetrisch ausgebildet ist.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (16, 16′) eine geneigte Umfangs­ wand aufweist, wobei sich die Neigung entlang des Umfangs ändert.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vorsprung (16, 16′) in Richtung einer Hauptgasströmung eine flach geneigte Flanke (18) aufweist.

4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (16, 16′) exzentrisch auf der Kolben-Stirnseite (10) angeordnet ist und zur Mitte der Kolben-Stirnseite (10) hin die schwach geneigte Flanke (18) aufweist.

5. Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (16, 16′) gegenüber der flach geneigten Flanke (18) eine steile Flanke (19) auf­ weist.

6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steile Flanke (19) im wesentlichen parallel zur Wand des Zylinders (3) verläuft.

7. Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (5) des Zylinders (3) in einem Bereich gegenüber der schwach geneigten Flanke (18) eine Schrägfläche (20) aufweist.

8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche des Vorsprungs größer als die Auslaßöffnung (6, 6′) ist.

9. Verdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schrägfläche (20) im wesentlichen parallel zur schwach geneigten Flanke (18) ver­ läuft.

10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (16, 16′) eine Stirnfläche (17, 17′) aufweist, die im wesent­ lichen parallel zu einer Fläche verläuft, die durch eine Dichtfläche (9, 9′) des Auslaßventils (7, 7′) aufgespannt ist.

11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (7′) einen Ventilsitz (9′) aufweist, dessen Achse gegen­ über der Achse des Zylinders (3) geneigt ist.

12. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hin­ ter dem Auslaßventil (7, 7′) ein Ausgangsraum (14) angeordnet ist, der sich im wesentlichen in eine Richtung auf der dem Zylinder (3) abgewandten Seite der Auslaßöffnung (6) erstreckt.

13. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (7, 7′) im wesentlichen mit einer Strömung durchströmt ist, deren Komponente parallel zum Schließelement (8, 8′) des Auslaßventils (7, 7′) im wesentlichen in eine einzige Richtung verläuft.

14. Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Richtung einen spitzen Winkel zur Stirnwand (5) des Zylinders (3) einschließt.