DE2543295A1 - Ventil fuer einen kompressor - Google Patents

Ventil fuer einen kompressor

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Leonard Earl Lathrop
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PRIMORE SALES Inc
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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN -KRAMER ZWIRNER · HIRSCH
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sönnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237
PRIMORE SALES
Incorporated
Adrian, Michigan, USA
Ventil für einen Kompressor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanlage und insbesondere ein Kühlsystem, bei dem gegenüber Klimaanlagen wesentliche Belastungen auftreten.
In Kühlanlagen mit einem Kompressor zum l/erdichten des Kühlmittels kann beim Abschalten des Kompressors das Kühlmittel in der Kompressionskommer eingeschlossen werden, wodurch der Kompressormotor beim Wiedereinschalten belastet wird. Wenn ein Elektromotor verwendet wird, um ein sofortiges Wiedereinschalten zu gewährleisten, werden im allgemeinen ein Startkondensator für den Motor, zus-ätzliche Statorwindungen für ein hohes Drehmoment oder andere Einrichtungen für* ein hohes Anfangsdrehmoment des Motors vorgesehen. In allen Fällen wird in Abhängigkeit von dem
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Kompressor und dem Kühlsystem das erneute" Einschalten des Kompressors in der GröGenordnung einiger Minuten v/erzögert. Das Problem tritt im Gegensatz zu Klimaanlagen insbesondere bei Kühlsystemen mit einer Arbeitstemperatur yon 5 C oder darunter auf, da aus Kostengründen die Motorkapazität so niedrig uie möglich gehalten werden soll.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem einfachen und wirksamen Mechanismus zum unverzögerten Wiedereinschalten eines Kühlsystems, und zwar in der Grössenordnung won einigen Sekunden nach dem Abschalten ohne Einsatz zusätzlicher elektrischer Mittel und ohne Beeinträchtigung des Kornpressoruirkungsgrads.
Dazu wurden bereits Magnetventile vorgeschlagen, um den Druck zwischen der Kompressions- und der Ansaugkammer des Kompressors auszugleichen. Eine solche Einrichtung macht jedoch eine kostspielige Magnetanordnung mit elektrischer Steuerung notwendig und führt dazu, daß das Kühlmittel im Einlaß des Magnet*· ventils eingeschlossen' wird und im allgemeinen eine Verminderung des Kompressionsvolumen bedingt»
Ferner wurde auch schon vorgeschlagen, eine flachs Aussparung in der Ventilplatte oder dem Ansaugventilteller zwischen der Kompressions- und der Ansaug-
kammer vorzusehen. Ein dadurch bewirktes kontinuierliches Ausströmen des Kühlmittels während des Betriebs setzt jedoch die Leistungsfähigkeit des Kompressors wesentlich herab.
Ein anderes System veruendet einen Druckausgleich in Kombination mit einem Entlastungsventil zwischen dem Auslaß- und dem Ansaugvolumen des Systems. Diese Anordnung ueist den Nachteil auf, daß die Kompressionskammer nicht entlastet ist, da ein großer Teil des Kühlmittels das Ventil zum Druckausgleich durchströmen muß; Ferner entstehen hohe Kosten sowie eine Verminderung der Kapazität durch ständiges Ausströmen des Kühlmittels und schließlich wird auch kein unverzügliches Wiedereinschalten des Kompressors bewirkt.
.Demgemäß besteht ein Ziel der Erfindung darin, ein Kühlsystem verfügbar zu machen, dessen Kompressor nach dem Abschalten innerhalb von Sekunden erneut in Betrieb gesetzt werden kann, ohne daß der Druckausgleich zwischen dem Auslaß- und dem Ansaugvolumen des Systems abgewartet werden muß. Das Kühlsystem soll einfach, zuverlässig und kostengünstig sein, wobei auch ein neues Entlastungsventil für einen Kompressor vorgesehen ist.
Gemäß der Erfindung befindet sich ein normalerweise offenes, unter Federspannung stehendes Ventil in dem
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Kompressor, so daß ein offener Durchgang zwischen der Kompressions- und der Ansaugkam'mer besteht, wenn der Kompressor außer Betrieb ist.
Das Uesen der Erfindung soll anhand einiger Figuren erläutert werden; es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems gemäß eines Ausführbeispiels der Erfindung;
Fig.2 eine teilweise Schnittansicht des Kompressors;
Fig.3 eine vergrößerte Schnittansicht eines in dem System verwendeten Entlastungsventils;
Fig.4 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig.3;
Fig.5 ist eine Ansicht ähnlich zu Fig.4 und
zeigt die Teile in einer anderen Arbeitsstellung;
Fig.6 eine Teilansicht eines Ausschnitts von Fig.2 in einer modifizierten Form gemäß der Erfindung;
Fig.7 ein elektrisches Schaltschema eines bekannten Kühlsystems und
Fig.8 ein elekrisches Schaltschema für ein
Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
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Fig.T zeigt einen Kompressor 10, der ein Kühlmittel unter Druck dem Kondensor 12 und dieser wiederum Expansionsmitteln 11 zuführt, woraufhin das Kühlmittel über.den Verdampfer 13 zurück zum Einla3 des Kompressors 10 gelangt, wie es bei einem konventionellen Kühlsystem üblich ist,
Fig.2 zeigt einen konventionellen, hermetisch abgeschlossenen Kompressor 10 mit einem Gehäuse 14, in dem sich der Kompressor und ein Elektromotor 15 befinden, der eine Kurbelwelle 16 antreibt, um eine Kurbel 17 hin und her zu bewegen und damit einen Kolben 18 in einem Zylinder 19 bewegt. Der Kompressor weist üblicherweise eine Ventilplatte 20 mit Auslaß- und Ansaugventilen 21,22, wie z.B.Klappenventile, und ein-Kopfstück 23 auf, das die Kammern und 25 bzw. den Auslaß- und den Ansaugbereich festlegt, wobei die Steuerung in bekannter Ueise mittels der Ventile 21 und 22 erfolgt. Die Ansaugkammer 25 ist mit dem Raum innerhalb des Gehäuses 14 über die Öffnung 25a verbunden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem hermetisch abgeschlossenen Kompressor beschrieben wird, ist sie auch auf halbgeschlossene und offene Kompressortypen anwendbar.
Gemäß der Erfindung befindet sich ein normalerweise
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offenes Entlastungsventil 26 in der V/entilplatte zwischen der Kompressionskammer 27 und der Ansaugkammer 25. Das Ventil 26 kann sich mittels eines Preßsitzes in einer Öffnung der Ventilklappe 20 befinden.
Das Entlastungsventil 26 in Fig.3 besteht aus einem äußeren Ventilkörper 28, einem inneren Ventilkörper 29, einem Ventilteller in Form einer Kugel 30 oder dergleichen und einer Feder 31 , die sich zwischen den inneren Ventilkörper 29 und einem Druckteil 32 befindet, das mit der Kugel 30 in Berührung steht.
Der äußere Ventilkörper 28 ueist eine zylindrische Öffnung 33 an einem Ende auf, die von einer sphärischen Fläche 34 begrenzt ist, deren Radius größer als der Radius der Kugel 30 ist,und die einen Anschlag bildet, wenn die Kugel 30 von der Feder 31 beaufschlagt ist. Ein diametral gegenüberliegende Durchgangsöffnung ist an dem Ende des äußeren Ventilkorpers 28 vorgesehen, das der Kompressionskammer 27 benachbart ist.
Der innere Ventilkörper 29 ueist ein hohlzylinderförmiges Teil 36 auf, das fest in der Öffnung 33 sitzt, und einen Flansch 37 auf, der an dem offenen Ende des äußeren Ventilkörpers 28 anliegt. In der Stirnuandun~g des inneren Ventilkörpers 29 ist eine
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Öffnung 38 vorgesehen, die eine Verbindung mit der Ansaugkammer 25 herstellt. Der innere Ventilkcrper 29 weist ferner an seinem der Kugel 30 zugewandten Ende eine Oberfläche 39 mit einem sphärischen Radius auf, der größer als der Radius der Kugel 30 ist. Die innere Oberfläche 40 des zylindrischen Teils 36 weist einen im Durchmesser verringerten Bereich 40a zur Führung der Feder 31 auf. Der Teil 40 mit dem größeren Durchmesser ermöglicht eine Strömung des Kühlmittels um und durch die Feder, uie es in Fig.4 dargestellt ist.
Die Oberflächen 40 und 39 grenzen aneinander, um eine Auflage 41 zu bilden, an der die Kugel angreift. Die Auflage 41 oder die Kugel 30 bestehen aus elastischem Material, um eine Dichtung während des Betriebs des Kompressors zu bilden. Zusätzlich müssen alle Teile des Ventils 26 aus einem Material bestehen,das bei den Arbeitstemperaturen ueder von dem Kühlmittel noch von dem Kühlmittelöl angegriffen wird. Gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn für die Kugel ein plastisches Material und für die übrigen Teile ein Metall wie z.B. Stahl verwendet wurden. Als bevorzugtes Material für die Kugel wurde ein Fluorcarbon-Harz wie Tetrafluoräthylen gefunden, das unter dem Handelsnamen "Teflon" bekannt ist.
Uenn sich der Kompressor nicht in Betrieb befindet,
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ist das Entlastungsventil 26 normalerweise offen, wobei die Kugel 30 gegen das Ende des äußeren Ventilkörpers 28 gedruckt uird (Fig.3 und 4). Uenn der Kompressor startet, wird Druck in der Kompressionskammer 27 aufgebaut und greift an der Kugel 30 an, um den Durchlaß, dar normalerweise zwischen der Kompressionskammer 27 und der Ansaugkammer 25 besteht, nach wenigen Umdrehungen des Kompressors zu schließen. Da der Durchlaß bei diesen Anfangsumdrehungen geöffnet bleibt, kann der Kompressor seine volle Drehzahl und sein volles Drehmoment ohne Geschwindigkeitsverlust und ohne Unterbrechung der Motorschaltung durch Ansprechen des Überlastschutzes erreichen. Uenn das Entlastungsventil, uie in Fig.5 dargestellt schließt, wird der Druck in der Kompressionskammer bis auf die normale Arbeitsweise des Ansaugventils 22 ohne Verbindung mit der Ansaugkemmer 25 aufrechterhalten und der Kompressor arbeitet normal ohne Verminderung des Wirkungsgrads.
Uenn ein Kompressor abgeschaltet wird, kommt es typischer Ueise nicht zu einem abrupten Stillstand, sondern er führt davor'noch eine oder mehrere Umdrehungen aus. In der letzten Periode vor dem Stillstand ist die Rotationsgeschwindigkeit so stark abgesunken, daß das verbleibende Drehmoment nicht ausreicht, über einen genügenden Druck in der Korepressionakammer das Ventil 26 geschlossen zu halten. Daher öffnet das normalerweise offene Ventil 26 und gibt einen Durchgang zwischen der Kompressions- und Ansaugkammer frei. Bei offenem Durchgang können die ver-
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bleibenden Umdrehungen keinen Druck mehr in der Kompressionskammer aufbauen und der Kompressor kommt zu einem v/ollständigen Stillstand, ohne daß Kühlmittel unter hohem Druck in der Kompressionskammer 27 eingeschlossen uird. Da die Kompressionskammer 27 nicht unter Druck steht und das Entlastungsventil 26 offen ist, kann der Kompressor unverzüglich erneut in Betrieb gesetzt werden. Dieser entlastete Zustand dauert nach dem Wiederstarten des Kompressors, uie bereits erläutert, während der ersten Umdrehungen an und erlaubt ein Inbetriebsetzen des Kompressors unter irgendwelchen virtuellen Lastbedingungen des Systems, uie es durch den Druck in der Kammer 24 angezeigt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel liegt das Entlastungsventil 26 in der l/entilplatte 20, es kann jedoch auch an anderen Stellen des Kompressors vorgesehen werden. Die l/entilplatte 20 ist für einen Preßsitz oder eine andere Art der Halterung besonders geeignet. Alternativ hierzu kann das Entlastungsventil 26' in der Zylinderuandung 19 gemäß Fig.6 vorgesehen werden, wodurch eine Verbindung zwischen der Kompressionskammer und dem unter niedrigen Druck stehenden Ansaugbereich hergestellt wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Ventilteller 30 im geschlossenen Zustand j_m wesentlichen den Raum 42 zwischen dem Ventilsitz 41 und der sphärischen Fläche 34 ausfüllt und eine begrenzte
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Bewegung hat. Zusätzlich ist das Volumen der Öffnung 35 klein. Daraus ergibt sichjdaß zwischen dem Ventilsitz 41 und der Kompressionskammer nur ein sehr geringes Kühlmittelvolumen eingeschlossen ist, und daher das bei jeder Periode des Kolbens rekomprimierte und eingeschlossene Kühlmittelvolumen minimal ist".
Es ist auch wesentlich, daß die. einzelnen Teile des Ventils genau und sorgfältig ausgeführt werden.
Die durch die Erfindung ermöglichte Kostenreduzierung für das Kühlsystem läßt sich am besten anhand der Schaltschemata der Fig. 7 und 8 erläutern. Das bekannte System nach Fig.7 weist ein Relais 45, einen Startkondensator 46, eine Motorwicklung 47 für ein hohes Drehmoment und eine normale Ftotorwicklung 48 auf. Beim Einsatz eines Kompressors gemäß der Erfindung ergibt sich das in Fig.8 dargestellte Schaltschema. Auf den Startkondensator kann verzichtet und die Uicklung für ein hohes Anfangsdrehmoment durch eine normale Startwicklung ersetzt werden.
Für einen typischen Kompressor gemäß der Erfindung mit einer Kapazität von 1000 BTU/hr wurden gute Ergebnisse mit einet» Entlastungsventil erzielt, das folgende Daten aufweist:
Innerer Durchmesser des äusseren Körpers .200 +.0005
Teflonkugel
Durchmesser .1875 + .0004
Oberfläche hochpoliert
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.020 + .
durch" .		 00Π5
200
.100 + . 003
.100 + . 005
.230
Lastrate
per inch		 23.75 lbs.
.250
.429
Härte Shore D50/D65
Naterial neues Teflon
Abmessungen der Öffnung im äußeren Körper
Radius des Ventilsitzes
im inneren Körper
Radius des Druckteils
Freie Länge der Feder aus rostfreiem Stahl
Federanforderung
Gesamter Durchmesser
Gesamte Länge
Bei einem derartigen l/entil kann das innere Volumen abgeschätzt uerden, uenn folgende Abmessungen gegeben sind:
r = Radius der Kugel 30 .093 R = Radius der Oberfläche 39 .100 RT = Radius der Oberfläche 34 .100 A = Abstand zwischen den
Mittelpunkten von R + R1 .015
B = Abstand zwischen Mittelpunkt von R und unterer Kante der Oberfläche 39 .0445
C = Abstand zuischen unterer Kante der Oberfläche 39 und oberem Ende der Kugel 30 bei geschlossenem Ventil R-B= .0555
D = A + B .0595
E = Innerer Durchmesser des
Musseren Körpers und Länge
der Öffnung 35 .200
G = Tiefe der Öffnung 35 am untersten Teil der Oberfläche 34 .0105
Das Volumen kann dann wie folgt berechnet uerden:
\}y = Volumen über der Fläche, welche die untere Kante der Oberfläche 39 und das obere Ende der Kugel bei geschlossenem Ventil enthält:
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7TC2 (R - C/3) = .0007887
Volumen zwischen Mittelpunkt der Oberfläche 34 und der unteren Kante des Ventilsitzes:
TT R2 D = .0018692
Volumen zwischen der Fläche mit dem Mittelpunkt der Oberfläche 34 und der Oberfläche 34:
1/2 (4/3TR3) = .0020944
V, = Volumen der Durchgangsöffnung 35 des äußeren Körpers:
[ (2R) (R + G) -TTR2/2]f = .0001278 V5 s Volumen der Kugel:
4/3ITe3 = .0034515
Das gesamte innere Volumen ist daher: V = V1 + V2 + V3 + V4 + V5 = .0014286
Für ein derartiges Entlastungsventil läßt sich der Anteil des Rekorapressionsvolumens bestimmen, usnn bestimmte Abmessungen des Kompressors bekannt sind:
D s Durchmesser des Kompressionszylinders ' 1 .000
dj,— Abstand zwischen der Ventilplatte und dem oberen Ende des Kolbens im Zylinder beim oberen Totpunkt .004
dgs Abstand der Ventilplatte und dem oberen Ende des Kolbens im Zylinder beim unteren Totpunkt . .700
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.. 13 -
t = Dicke der üentilplatte .150
d = Durchmesser der Auslaßöffnung .141 Volumen der Auslaßöffnungen (2) : V = 2 ( d/2 )2t = .00468
Zylindervolumen (oberer Totpunkt) =
V- = V + ( D/2 )2 dT = .00783 Ti ρ * ' . ' T
Zylindervolumen ( unterer Totpunkt ) =
Ug = V + ( D/2 )2 dB = .55446 = Verdrängung des " Kompressors
somit ergibt sich das Rekompressionsvolumeh zu
Inneres Volumen des Entlastungsventil = .0014286 Verdrängungsvolumen des Kompressors .55446
= .00258 oder .257^
Es ist daher ersichtlich, daß ein Kühlsystem verfügbar gemacht uurde, das erneut eingeschaltet uerden kann, ohne daß ein Druckausgleich zwischen dem Auslaß- und dem Ansaugvolumen abgewartet werden muß, und bei dem kein Startkondensator und keine zusätzliche Wicklung für ein hohes Anfangsdrehmoment notwendig sind. Das Ventil gemäß der Erfindung ist kostengünstig und auch mit geringem Aufwand nachträglich in einen konventionellen Kompressor einzubauen.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    ,) Ventil für einen Durchlaß zwischen der Kompressionsund der Ansaugkammer eines Kompressors eines Kühlsystess, gekennzeichnet durch einen l/entilkörper mit einem Ventilteller und einem Ventilsitz, einem Anschlag und einer Feder, die den Ventilteller normalerweise von dem Ventilsitz ueg zu dem Anschlag drückt, wobei der Ventilteller im wesentlichen den Raum zwischen dem Ventilsitz und dem Anschlag ausfüllt, der Ventilsitz relativ zu dem Ventilkörper angeordnet ist, der dem Druck der Kompressionskammer ausgesetzt ist, so daß sich ein minimaler VoluBienbereich zwischen dem Ventilsitz und der Kompressionskammer einstellt, wenn der Ventilteller durch den Druck in der Kompressionskammer gegen den Ventilsitz gedruckt wird.
  2. 2. Ventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kugelförmigen Ventilteller.
  3. 3, Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper einen äußeren Körper mit einer Öffnung aufweist, die sich von dem einen zu dem anderen Ende erstreckt, daß das untere Ende eine sphärische Fläche bildet, deren Durchmesser größer
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    als der Durchmesser der Kugel ist, und daß sich eine Öffnung von der sphärischen Fläche zu dem Ende des Körpers erstreckt, das dem Druck der Kompressionskammer ausgesetzt ist, und daß der Anschlag der Kugelfläche angepaßt ist.
  4. 4· Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ue.ntilkörper einen zueiten Körper aufweist, der sich in die Öffnung des ersten äußeren Körpers erstreckt und den Ventilsitz umfaßt.
  5. 5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Öffnung uon der Ventildichtung zu einem Auslaß erstreckt, daß diese Öffnung einen ersten, dem Auslaß benachbarten Bereich mit einem derartigen Durchmesser aufweist, daß die Feder geführt uird, und daß die Durchgangsöffnung einen zueiten Bereich umfaßt,, der dem Ventilsitz benachbart ist und dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des ersten Bereiches ist, so daß eine Strömung zu dem Auslaß ermöglicht uird.
  6. 6. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Öffnung uon dem Ventilsitz zu einem Auslaß erstreckt, daß diese Öffnung einen ersten,dsm Auslaß benachbarten Bereich mit einem derartigen Durchmesser aufweist,daß die Feder geführt wird, und daß die Öffnung einen zueiten
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    Bereich umfaßt, der dem Ventilsitz benachbart ist und dessen Durchmesser größer als der des ersten Bereiches ist, so daß eine Strömung zu dem Auslaß ermöglicht wird.
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