DE3507831C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Zungenventile für die Saugseite von Kühlverdichtern.

Hermetisch dichte Kühlverdichter dieser Art haben relativ kleine Leistungen. Eine der gebräuchlichsten Arten solcher Kompressoren ver­ wendet einen einzigen hin- und herbewegten Kolben, der von einem sich um eine vertikale Achse drehenden Motor angetrieben wird. Da der Motor gewöhnlich ein zweipoliger Elektromotor großer Drehzahl ist, der eine Nenndrehzahl von 3600 oder in der Praxis eine Dreh­ zahl von 3400 Umdrehungen pro Minute hat, läuft der Kompressions­ zyklus des Kolbens in dem Zylinder mit einer entsprechend großen Geschwindigkeit ab.

Der Zylinder, in dem sich der Kolben hin- und herbewegt, ist durch einen Zylinderkopfaufbau abgeschlossen, der allgemein eine ebene Ventilplatte ausreichender Dicke zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit und darüber einen Zylinderkopf aufweist, der Einlaß- und Auslaßkammern zum Verbinden mit den Ansaug- und Ablaßdämpfern in dem hermetisch dichten Gehäuse hat. Die Ventilplatte ist ein ebenes, an beiden Seiten geglättetes Metall­ stück mit einem hindurchgeführten Ablaßkanal, wobei sich ein Ab­ laßventil an der Außenseite in der Ablaßkammer befindet. Das Saug- oder Einlaßventil ist in Form eines dünnen Zungenventils aus Fe­ derstahl ausgebildet, das an der Kolbenseite der Ventilplatte an­ gebracht ist. Das Zungenventil hat allgemein ein verdicktes Ende, das über einen Einlaßkanal paßt, während das andere Ende der Zun­ ge unter einem Abstand hiervon verankert ist, der ausreicht, da­ mit sich die Ventilzunge biegen kann. Auf diese Weise kann sich der Dichtungsabschnitt gegen einen um den Einlaßkanal gebildeten Ventilsitz legen und sich während des Saughubes hiervon wegbewe­ gen, damit die Kühlgase in den Zylinder eintreten können.

Der sich um den Einlaßkanal erstreckende Ventilsitz weist im un­ mittelbaren Umfangsbereich der Öffnung einen in der Ebene der Oberfläche der Ventilplatte liegenden Ringbereich auf. Außerhalb dieses Ventilsitzes befindet sich ein ausgesparter Bereich, in dem das Zungenventil ungestützt ist, damit es sich mit einem hö­ heren Dichtungsdruck in dem ringförmigen Sitzbereich anlegen kann. Allgemein werden solche Ventilzungen aus einem Federstahlblatt ge­ formt, das sich über die gesamte Oberfläche der Ventilplatte er­ streckt. Die Zunge wird durch möglichst schmale Ausschnitte in diesem Ventilblatt geformt, damit das in der Kompressionskammer am Ende des Kompressionshubes des Kolbens verbleibende Totvolumen minimal gehalten wird. Die als zusammenhängendes Teil eines Feder­ stahlblattes gebildete Ventilzunge ist normalerweise unbelastet und liegt in der Normalposition in der Ebene des Blattes, wobei ein Dichtungskontakt an dem Ventilsitzbereich hergestellt wird. Wenn der Kolben den Saughub durchführt, begründet die Anfangsbewe­ gung des Kolbens kein Öffnen des Ventils, bis der Druck auf einen Wert abfällt, bei dem die Kräfte des Kühlmittels in der Einlaßkam­ mer im Zylinderkopf ausreichen, um die Zunge von ihrem Sitz wegzu­ bewegen, so daß die Kühlgase in den Zylinder eintreten können.

Es wurde festgestellt, daß beim Betrieb eines Kompressors beim Öffnen des Saugventils eine Verzögerung auftritt, die größer als diejenige ist, die normalerweise als Ergebnis der Trägheit der Ventilzunge und des Entstehens des öffnenden Saugdrucks erforder­ lich wäre. Es wird angenommen, daß ein Hauptgrund für die verzö­ gerte Öffnungsbewegung die durch das in den Kühlgasen für Schmier­ zwecke vorhandene Öl begründete Adhäsion bzw. Haftwirkung zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz ist. Es wurde auch festgestellt, daß die verzögerte Öffnungsbewegung des Saugventils eine gewisse Ab­ nahme bezüglich der volumetrischen Effizienz des Kompressors be­ gründet, da ein früheres Öffnen des Ventils dazu führen würde, daß eine vergrößerte Menge in die Kompressionskammer eintritt, wodurch die Kapazität des Kompressors vergrößert wird.

Es ist aus der DE-AS 23 05 390 bekannt, die Ventilzunge eines Zungenventils für Kühlverdichter mit einem schmalen Halsab­ schnitt und einen den Ventilsitz überdeckenden Dichtungsab­ schnitt auszustatten, wobei der Dichtungsabschnitt entlang ei­ ner Biegelinie im Halsabschnitt permanent aus der Ebene des Ven­ tilsitzes herausgebogen ist. Die Ventilzunge, der Ventilsitz und ein Anschlag zur Begrenzung der Schwingungsweite sind mittels eines metallischen Mantels zu einer scheibenförmigen Baueinheit vereinigt. Ein so aufgebautes Zungenventil soll das Schwingungsverhalten der Ventilzunge und die Förder- bzw. Ar­ beitscharakteristik der mit Zungenventilen bestückten Pumpen und Kompressoren innerhalb jeder Bauserie egalisieren und somit den Einsatzbereich der Zungenventile auf dem Gebiet der Präzi­ sionspumpen und Präzisionskompressoren erweitern.

Es ist aus der US-PS 10 29 726 bekannt, bei Luftkompressoren eine Ventilzunge vorzusehen, die vorbelastet ist, und zwar so, daß sie als ganzes Körperteil beispielsweise in Schließrichtung des Zungenventils vorbelastet ist.

Es ist aus der DE-PS 8 43 125 eine Anlaßvorrichtung für Kolben­ verdichter bekannt, die als Ventil eine schwache gebogene Ven­ tilplatte vorsieht. Bei Erreichen der Nenndrehzahl wird die das Ventil offenhaltende Federkraft überwunden und das Ventil durch den Kompressionsdruck flachgedrückt, so daß das Ventil schließt.

Das Problem, daß beim Öffnen des Saugventils eine Verzögerung auftritt, verursacht durch das Kleben der Ventilzunge auf dem Ventilsitz durch Adhäsionswirkung, kann mit keinem Ventilaufbau aus dem Stand der Technik gelöst werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Zungenventil für Kühlkompressoren zu schaffen, das bei der Öffnungsbewegung nachteilige Verzögerungen durch Kleben auf dem Ventilsitz vermeidet.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Zungenventil für die Saugseite von Kühlkompressoren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches aus.

Die vorliegende Erfindung sieht somit einen Kompressor-Zungenven­ tilaufbau vor, der die Kompressorkapazität vergrößert, indem die Menge der gepumpten Kühlgase im Vergleich mit einem normalen Zun­ genventil vergrößert ist. Dieses vergrößert die Gesamteffizienz des Kompressors sowohl bezüglich der Gesamtkapazität wie auch be­ züglich des Energieeffizienzverhältnisses, das als Verhältnis zwi­ schen der Ausgangsleistung der Pumpe und der Ein­ gangsleistung festgelegt ist.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der in dem sich über die Ventilplatte des Kompressors erstreckenden Ventil­ blatt ausgebildete Zungenabschnitt des Saug- oder Einlaßventils durch eine Biegung des Zungenventils so verformt, daß der Dich­ tungsabschnitt normalerweise, als im unbelasteten Zustand, nicht mehr in der Ebene des Ventilblatts liegt. Vorzugsweise erfolgt diese Deformation durch Biegen der Zunge längs einer schrägen Li­ nie in einem Bereich der Ventilzunge zwischen dem Dichtungsab­ schnitt und dem Verankerungsabschnitt in einer solchen Weise, daß der planare Dichtungsabschnitt im unbelasteten Zustand unter einem Winkel zu dem planaren Ventilsitz zu liegen kommt und den Ventil­ sitz nur an einer Stelle längs der Seite des Dichtungsabschnitts berührt, wobei der Abschnitt an der anderen Seite normalerweise von dem Ventilsitz abgehoben ist.

Es wurde festgestellt, daß mit der erfindungsgemäßen Saugventil­ zunge diese während des Kompressionshubes des Kompressors genau so wirksam wie die bekannte Ventilzunge anliegt bzw. abdichtet, bei der der Dichtungsabschnitt normalerweise im unbelasteten Zu­ stand einen vollständigen Dichtungskontakt mit dem Ventilsitz hat. Beim Saugabschnitt des Ventilhubes öffnet die Ventilzunge nach der vorliegenden Erfindung jedoch bereits bei einem kleineren Kurbel­ winkel, da die Verformung der Ventilzunge diese zum Verwinden und Losziehen bzw. Befreien von den Klebkräften veranlaßt, die durch das Öl zwischen der Ventilzunge und dem Ventilsitz begründet wer­ den, wobei dieser Vorgang stattfindet, bevor die Druckdifferenz beim Saughub tatsächlich die Zunge zum Wegbiegen von der Ventil­ platte veranlaßt. Indem auf diese Weise im Vergleich zu einem nor­ malen Ventil ein früherer Öffnungsvorgang des Saugventils erzielt wird, wird die Kapazität des Kompressors spürbar vergrößert, und zwar in einem viel größeren Ausmaß, als es der zum Antreiben des Kompressors benötigten Leistung entspricht. Da die Kapazität mehr als das Leistungserfordernis ansteigt, ergibt sich eine Gesamtzu­ nahme des Energieeffizienzverhältnisses des Kompressors.

Das als Ablaßventil benutzte Zungenventil kann ähnlich wie das Saugventil ausgebildet sein. Die Zunge hat einen Grundabschnitt, der unter Abstand von dem Ventilsitz und einem diesem überlagerten Kopfabschnitt an der Ventilplatte befestigt ist. Zwischen dem Grundabschnitt und dem Kopfabschnitt befindet sich ein Halsab­ schnitt mit der schrägen Biegelinie, so daß der Ventil-Kopfab­ schnitt im unbelasteten Zustand des Ventils den Ventilsitz nur an einer Stelle längs der Seite des Ventilsitzes berührt, während der gegenüberliegende Abschnitt von dem Ventilsitz abgehoben ist. Al­ ternativ kann der Ventil-Kopfabschnitt eben und ungebogen sein, jedoch in einer zu dem Ventilsitz geneigten Ebene so angebracht sein, daß der Ventil-Kopfabschnitt mit dem Ventilsitz in der glei­ chen Weise in Eingriff tritt.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht das Saugventil entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Blickrich­ tung zu dem Zylinderkopf,

Fig. 2 in einem Teilschnitt den Kompressor mit dem Zylinder­ kopf und der Ventilplatte sowie dem Saugventil aus Fig. 1,

Fig. 3 in einer Fig. 2 ähnelnden Teilansicht die Position des Saugventils beim Kompressions- oder Ablaßhub des Kol­ bens,

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde vergrößerte Teilansicht während des Saug- oder Aufnahmehubes des Kolbens,

Fig. 5 das Saugventil in einer perspektivischen Teilansicht,

Fig. 6 in einer Draufsicht die Ablaßventilzunge aus Fig. 6,

Fig. 7 die Ablaßventilzunge in einer Stirnansicht,

Fig. 8 die Ablaßventilzunge in einer Seitenansicht.

In Fig. 2 ist ein Teil eines typischen hermetisch dichten Kühl­ kompressors 10 im Bereich des Zylinderkopfes in einem Teilschnitt dargestellt. Da die übrigen Teile des Kompressors keinen Bestand­ teil der vorliegenden Erfindung bilden, sind sie nicht dargestellt oder beschrieben, weil sie einen üblichen Aufbau und Betrieb haben.

Der Kompressor 10 enthält einen Zylinderblock 11 mit einer Zylin­ derbohrung 12, die sich axial zu einer planaren Stirnfläche 15 hindurch erstreckt, die in einer zu der Achse der Zylinderbohrung 12 rechtwinkligen Ebene liegt. Ein an die Stirnfläche 15 angren­ zende Senkbohrung 14 befindet sich am Endbereich der Zylinderboh­ rung 12; sie dient für Montagezwecke und ist so klein wie möglich, um das Totvolumen zu verringern. Ein Kolben 16 sitzt in der Zylin­ derbohrung 12 und ist in dieser durch einen geeigneten Kurbelan­ trieb (nicht dargestellt) hin- und herbewegbar. Der Kolben 16 hat eine ebene Stirnfläche 17 und befindet sich an der oberen Mitten­ position, um so nahe wie möglich an der Stirnfläche 15 des Zylin­ derblocks zu sein. Die Stirnfläche 15 kann von einer geeigneten Dichtung oder Unterlegscheibe (nicht dargestellt) überlagert sein, über der sich das Ventilblatt 20 befindet, das aus einem Feder­ stahl-Blech geformt ist, wie es noch näher erläutert wird. Über dem Ventilblatt 20 und in direktem Kontakt hiermit befindet sich eine planare Ventilplatte, die aus einem geeigneten Material wie Gußeisen geformt und zum Erzielen der notwendigen Festigkeit aus­ reichend dick ist.

An der Außenseite der Ventilplatte 22 erstreckt sich um deren Um­ fang eine geeignete Dichtung 24, die sich zwischen der Ventilplat­ te 22 und einem diese überlagernden Zylinderkopf 25 befindet. Von diesem wird eine einlaßseitige Verdichtervorkammer (plenum cham­ ber) 26 begrenzt, die mit dem Ansaugdämpfer des Kompressors und damit mit den Einlaßgasen von dem übrigen Teil des Kühlsystems verbunden ist. Es ist festzustellen, daß der Zylinder­ kopf 25 auch eine Ablaßkammer (nicht dargestellt) in der üblichen Weise bildet, die wiederum mit den Ablaßdämpfern und somit mit dem Äußeren des Kompressors verbunden ist. Es ist auch festzustellen, daß der Zylinderkopf 25, die Ventilplatte 22 und das Ventilblatt 20 durch geeignete Mittel, wie beispielsweise gemäß der Darstel­ lung in Fig. 1 angeordnete Schraubbolzen 28, in festem Kontakt mit dem Zylinderblock 11 gehalten werden.

Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht auf dem Aufbau des Ventilblatts 20, das in den Fig. 1 und 5 detaillier­ ter dargestellt ist. Es besteht aus einem geeigneten Federstahl- Blech gleichförmiger Dicke, die in einem typischen Beispiel etwa 0,2 mm betragen kann. Das Ventilblatt 20 hat einen Umfangsrand 30, der im wesentlichen der Umfangsform der Ventilplat­ te 22 entspricht. In dem zentralen Abschnitt hat das Ventilblatt einen sich um die Ablaßöffnung 33 erstreckenden weggeschnittenen Bereich 32. Die Ablaßöffnung 33 ist mit einem Ablaßventil verbun­ den, das ebenfalls vom Zungentyp sein kann und in der Ablaßkammer angebracht ist. Das Ventilblatt 20 hat auch einen ausgeschnittenen Schlitz 36, der an seiner einen Seite einen Rand des weggeschnit­ tenen Bereichs 32 darstellt und die Saugventilzunge 38 bildet. Es ist festzustellen, daß der Schlitz 36 vorzugsweise eine gleichför­ mige Breite hat und so schmal wie möglich ist, um das Totvolumen des Zylinders zu verringern. Die Zunge 38 hat einen breiteren Grundabschnitt 40 dort, wo sie in den übrigen Teil des Ventil­ blatts übergeht, und einen schmaleren Hals oder Schaft 42 zwischen dem Grundabschnitt 40 und dem Kopf 44, der allgemein kreisförmig ausgebildet ist. Der Kopf 44 befindet sich über der Saugöffnung 46, die ebenfalls vorzugsweise kreisförmig ist. Um die Saugöffnung 46 verläuft eine Ringnut 48, die dort, wo es möglich ist, allge­ mein der Lage des Schlitzes 36 folgt und die dazu dient, einen um die Saugöffnung 46 verlaufenden Ventilsitz 50 gleichförmiger Brei­ te zu bilden. Die Funktion der Ringnut 48 besteht darin, ein An­ sammeln von Öl oder Verunreinigungen im Umfangsbereich des Ventil­ sitzes zu vermeiden, damit der bestmögliche Dichtungseingriff zwi­ schen dem Ventilblatt-Kopf 44 und dem Ventilsitz 50 sichergestellt wird.

Der oben beschriebene allgemeine Aufbau des Ventilblatts 20 und der Saugventilzunge 38 wurden seit langem für Saugventile in Kühl­ kompressoren unter der Bedingung benutzt, daß das gesamte Ventil­ blatt 20 verformungsfrei war, so daß in dem unbelasteten Zustand die Saugventilzunge 38 in der Ebene des Ventilblatts 20 liegt und somit der Ventil-Kopf 44 in Dichtungseingriff mit dem Ventilsitz 50 steht. Erfindungsgemäß wird jedoch der Saugventilzunge 38 eine Biegung oder permanente Verformung in einer solchen Weise gegeben, daß der Ventil-Kopf 44 ohne Belastungsbedingungen nur an einem Umfangsbereich den Ventilsitz 50 berührt. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Saugventilzun­ ge 38 mit einer Biegelinie 52 ausgebildet, die sich in einer abge­ schrägten Richtung über den Hals 42 erstreckt; demnach befindet sich der Kopf 44 normalerweise unter einem Winkel, wobei die eine Seite 54 normalerweise in Eingriff mit dem angrenzenden Bereich des Ventilsitzes 50 steht, während die andere Seite 56 des Kopfes 44 normalerweise von dem angrenzenden Bereich des Ventilsitzes 50 beabstandet ist. Die an der Linie 52 gebildete Biegung ist derge­ stalt, daß dem Federmaterial des Ventilblatts eine permanente De­ formation oder Verformung gegeben ist und daß sich der Kopf 44 un­ ter einem Winkel von 3 bis 4 Grad erstreckt, gemessen transversal zur Achse des Ventilblatts. Die andere Seite 56 des Ventil-Kopfes 44 wird somit normalerweise von dem Ventilsitz unter einem Abstand gehalten, der dem Ein- oder Zweifachen der Dicke des Materials des Ventilblatts selbst entspricht.

Diese der Ventilzunge gegebene Verformung ist nicht so groß, daß der Kopf an einer Sitzauflage am Ventilsitz 50 gehindert wird, wenn der Kolben seinen Kompressionshub durchführt. Es ist somit nicht anzunehmen, daß zum Beginn des Kompressionshubes diese Be­ dingung der Ventilzunge irgendeine spürbare Verzögerung bezüglich des Sitzauflagevorgangs begründet. Gemäß Fig. 3 ist somit der Ventil-Kopf 44 beim Kompressionshub des Kolbens in die Ebene des Ventilblatts 20 abgelenkt, so daß er einen Dichtungseingriff mit dem Ventilsitz 50 herstellt und keine Gase durch die Saugöffnung hinausgedrückt werden. Nachdem jedoch der Kolben die obere Tot­ punktlage durchlaufen hat und sich gemäß Fig. 2 von der Ventil­ platte wegzubewegen beginnt, liegen keine Kompressionskräfte in dem Zylinder mehr vor, die den Ventil-Kopf 44 an dem Ventilsitz 50 halten. Es liegt jedoch der Adhäsionseffekt vor, begründet durch das Vorhandensein von Öl in dem Kompressor, der dazu neigt, den bekannten Ventil-Kopf auch nach Beginn des Saughubes noch in Dichtungseingriff zu halten. Wie es jedoch in Fig. 2 dargestellt ist, sind bei der vorliegenden Ventilzunge die durch die Biegeli­ nie 52 in das Ventil eingebaute Vorspannung und die Verformung der Ventilzunge dergestalt, daß die Haft- bzw. Adhäsionskräfte des Öls überwunden und die Zunge teilweise von dem Ventilsitz 50 wegbewegt wird. Wenn der Kolben bei dem Saughub fortgesetzt ab­ wärts bewegt wird, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, gibt es kei­ nerlei derartige Adhäsionskräfte, die die Ventilzunge in Kontakt mit der Ventilplatte halten, und die Zunge kann sich schnell in einen Öffnungszustand bewegen, damit während des Saughubes ein passendes Auffüllen des Zylinders möglich ist. Dieses führt zu einem frühen Öffnen des Saugventils, bevor sich irgendeine wesent­ liche Druckdifferenz an dem Ventil aufbaut. Im Ergebnis führt die­ ses zu einem vollständigeren Füllen des Zylinders, und die Pump­ kapazität des Kompressors ist deshalb tatsächlich vergrößert, weil die Volumeneffizienz infolge des erfindungsgemäßen Saugventils verbessert ist.

Gemäß Fig. 6 hat die Ventilzunge 97 einen länglichen Grundab­ schnitt 101, der eine runde Öffnung 102 und eine langgestreckte Öffnung 103 für Toleranzzwecke aufweist. Längs einer Achse, die rechtwinklig zu einer Achse durch die Löcher 102 und 103 verläuft, erstrecken sich ein Halsabschnitt 106 und ein verdickter Kopfab­ schnitt 107, der größer als ein Ventilsitz ist, jedoch nicht so groß wie der Außendurchmesser einer Ringnut, so daß dieser Kopfabschnitt in Dichtungskontakt mit einem Ventilsitz treten kann, wenn er sich in koplanarem Kontakt hiermit befindet.

Der Kopfabschnitt 107 der Ventilzunge 97 ist jedoch aus der Ebene des übrigen Teils der Ventilzunge durch eine plastische Verfor­ mung derselben längs einer Biegelinie 109 abgelenkt. Diese Biege­ linie verläuft unter einem schrägen Winkel über den schmalsten Bereich des Halsabschnitts 106. Gemäß Fig. 6 ist dieser mit 110 bezeichnete Winkel gegenüber einer Linie gemessen, die rechtwink­ lig zu der Linie durch die Ventilzungenachse verläuft, welche sich von dem Grundabschnitt 101 zu dem Kopfabschnitt 107 er­ streckt. Der mit 110 bezeichnete Winkel beträgt 35 Grad. Die Größe der Verwindung ist besser aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich; der Winkel 114 aus Fig. 7 zeigt die Größe der Verwindung an. Diese ergibt sich dadurch, daß die eine Seite des Ventilkopfes 107 in der Ebene des Ventilblatts verbleibt, wie es bei 111 dargestellt ist, während die diametral gegenüberlie­ gende Seite 113 um ein Maß angehoben ist, so daß der Winkel 114 etwa 2 Grad beträgt.

Claims (1)

1. Zungenventil für die Saugseite von Kühlverdichtern, dessen Ventilzunge einen schmalen Halsabschnitt und einen den Ventilsitz überdeckenden Dichtungsabschnitt aufweist, wobei der Dichtungs­ abschnitt entlang einer Biegelinie im Halsabschnitt permanent aus der Ebene des Ventilsitzes herausgebogen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Biegelinie (52; 109) in einem spitzen Winkel (110) zur Längsachse der Ventilzunge (38; 97) verläuft und die Aufbiegung so bemessen ist, daß der Dichtungsabschnitt (44; 107) quer zur Längsachse der Ventilzunge einen Winkel (114) ein­ schließt, so daß er auf einer Seite der Längsachse der Ventil­ zunge mit dem Ventilsitz (50) in Kontakt steht.