DE3702645A1 - Druckventilsystem fuer kuehlkompressoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventilsystem für Kolbenkühlkompressoren. Bei dem erfindungsgemäßen Kolbenkühlkompressor wird der Zylinder einerseits von dem Zylinderdeckel, andererseits von der zwischen dem Zylinder und dem Zy­ linderdeckel angeordneten Ventilplatte verschlossen; an der Ventilplatte sind eine oder mehrere durchgehende Eintrittsöffnungen und ein oder mehrere Austrittsöffnungen ausgestaltet, die über Flatterventile geöffnet bzw. ver­ schlossen werden. Das erfindungsgemäße Ventilsystem kann bei allen Kühl­ kompressortypen vorteilhaft verwendet werden, bei denen die oben erwähnte, aus Zylinder, Ventilplatte und Zylinderdeckel bestehende Einheit vorhanden ist.

Es ist bekannt, daß bei den oben geschilderten Kühlkompressoren die an der Ventilplatte ausgestalteten Eintritts- und Austrittsöffnungen im allgemeinen zu der Ebene der Ventilplatte senkrecht verlaufen, gleichzeitig paralel zu der Längsachse des Zylinders ausgestaltet sind. Diese strukturelle Gestaltung ruft in dem Zylinderraum zwischen dem Kolben und der Ventilplatte solche Strömungsverhältnisse hervor, die die Vibration der Flatterventile, sowie Druckschwankungen in dem Zylinderraum hervorrufen; als Erfolg verschlech­ tert sich der Förderwirkungsgrad und auch eine den zulässigen Wert über­ schreitende Geräuschpegelquelle entsteht. Diese ungünstigen Erscheinungen können insbesondere bei mit hoher Drehzahl und hoher Geschwindigkeit arbei­ tenden Maschinen auftreten.

Die aus der GB-PS 9 63 655 erkennbare Lösung strebt nach der Verringerung der ungünstigen Erscheinungen. Im Sinne dieser Lösung wird danach gestrebt, die bestehenden Mangelhaftigkeiten derart zu eliminieren, daß die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen an der Ventilplatte so gestaltet werden, daß ihre Achse nicht senkrecht zu der Ventilplatte verläuft und sie so geneigt sind, daß das hindurchströmende und austretende Gas zu dem freien Ende des an dem einen Ende fixierten Flatterventils strömt. Durch diese Ausführungsform wird der Förderwirkungsgrad erhöht, hingegen werden weder die Ventilvibra­ tionen noch die Druckschwankungen in dem Zylinderraum, noch der Geräusch­ pegel des Kompressors in dem gewünschten Maße herabgesetzt. Bei dieser Ausführungsform verhält sich nämlich das Flatterventil wie ein an dem einen Ende eingespannter Träger, wobei das Gas in dem sich dahinter befindenden Raum verhältnismäßig stationär ist, währenddessen sein Druck höher wird. Daher verläuft die sich aus dem Gasdruck ergebende, auf das Flatterventil einwirkende Kraft im Moment des Öffnens zu dessen Ebene senkrecht und öffnet das Flatterventil bis zu einem gegebenen Wert, hingegen nimmt dem Öffnen folgend der Einfallswinkel der Gasströmung zu, wodurch dem Öffnen folgend die zu der Oberfläche senkrechte Komponente der aus dem Aufpral­ len des Gasstromes resultierenden Kraft abnimmt, wodurch - mit dem voran­ gehenden Zustand verglichen - auch die das Ausbiegen des Flatterventils gewährleistende Kraft geringer wird. Im Sinne des Gesetzes der Mechanik nimmt auch das Maß des Ausbiegens proportional zu der abnehmenden Kraft ab; als Erfolg bewegt sich das Flatterventil in die Schließrichtung, was seinerseits einen verringerten Durchflußquerschnitt mit sich bringt; als weiterer Erfolg wird auch der Einfallswinkel kleiner und die zu der Fläche senkrechte Komponente der resultierenden Kraft, d. h. die das Ausbiegen des Flatterventils gewährleistende Kraft, wodurch das Flatterventil in die Durchlaßrichtung verschoben wird. Diese Verschiebung bringt wiederum einen größeren Einfallswinkel mit sich, wodurch der vorherbeschriebene Prozeß sich wiederholt. Diesem alternierenden Kraftspiel superponiert sich noch die Erscheinung, daß der Druck in dem Raum über dem Flatterventil zunimmt und der erhöhte Druck das Flatterventil zu schließen bestrebt ist, d. h. dem Flatterventil bei der Verschiebung in die Schließrichtung quasi Hilfe leistet. Auf diese Weise entsteht infolge des verringerten Durchflußquerschnittes (erhöhte Drosselung) vor dem sich in dem Zylinder bewegenden Kolben ein höherer Druck, wodurch auch die das Ausbiegen des Flatterventils fördernde Kraft sich erhöht und dem Flatterventil bei der Verschiebung in der Durch­ laßrichtung Hilfe leistet. Dieser Prozeß erhöht die Ventilvibrationen und ruft eine Verstärkung der Druckschwingungen in dem Zylinderraum hervor.

Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt, ein Druckventilsystem auszugestalten, durch welches die obenerwähnten Probleme eliminiert, die Ventilvibrationen und Druckschwingungen - mit den bisherigen Lösungen verglichen - in einem erhöhten Maße verringert werden können, gleichzeitig ein guter Wirkungsgrad bei der Förderung aufrechterhalten und der Geräuschpegel des Kompressors gesenkt werden.

Erfindungsgemäß wird das gesetzte Ziel so erreicht, daß innerhalb des Ven­ tilsystems an der Ventilplatte eine oder mehrere Eintrittsöffnungen bzw. eine oder mehrere Austrittsöffnungen ausgestaltet sind, die an ihrem einen Ende über das dort befestigte Flatterventil verschlossen bzw. geöffnet werden; die Austrittsöffnung/en kann/können an der dem Kolben zugewandten Seite in ei­ nem oder mehreren Kanälen anfangen, von denen wenigstens einer mit einer Neigung ausgebildet ist, und an der dem Flatterventil zugewandten Seite zu einen oder mehreren Kanälen bzw. zu einer oder mehreren Austrittsöffnungen vereinigt werden, wobei die Kanäle aus dem Bereich des geometrischen Mittelpunktes der Kreisfläche ausgehen, die zu der Längsachse des Zylinders senkrecht ist, und sich der schräge Kanal zu der Senkrechten zu der Ventilplatte, in Richtung des schließenden Teils des Flatterventils so neigt, daß die Richtung des Gasstroms dem Öffnen des Flatterventils folgend zu der sich bei dem befestigten Ende des Flatterventils ergebenden Biegerichtung hin gerichtet und zu der Biegeachse des Flatterventils geneigt ist und zu einer zu der Biegeachse senkrechten Ebene geneigt ist oder dazu parallel verläuft.

Die Erfindung wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße, aus dem Zylinder-Ventilplatte-Zylinderdeckel bestehende Einheit des Kühlkompressors,

Fig. 2 eine mögliche Gestaltungsweise der Ventilplatte, von dem Zylinder­ deckel her betrachtet,

Fig. 3 den Schnitt A-A aus Fig. 2,

Fig. 4 die Ventilplatte nach Fig. 2, von dem Kolben her betrachtet,

Fig. 5 eine über eine Zweikanal-Austrittsöffnung verfügende Ventilplatte, von dem Zylinderdeckel her betrachtet,

Fig. 6 den Schnitt A-A aus Fig. 5,

Fig. 7 die Ventilplatte nach Fig. 5, von dem Kolben her betrachtet,

Fig. 8 eine weitere Gestaltungsweise der über eine Zweikanal-Austrittsöff­ nung verfügenden Ventilplatte, von dem Zylinderdeckel her betrach­ tet,

Fig. 9 den Schnitt A-A aus Fig. 8,

10 die Ventilplatte nach Fig. 8, von dem Kolben her betrachtet,

Fig. 11 eine über zwei Kanäle, zwei Austrittsöffnungen verfügende Ven­ tilplatte,

Fig. 12 den Schnitt A-A aus Fig. 11, und

Fig. 13 die Ventilplatte nach Fig. 11, von dem Kolben her betrachtet.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Kühlkompressor einen Zylinder 1 und einen darin sich bewegenden Kolben 2 aufweist; der Kolben wird über einen hier nicht dargestellten Mechanismus mit einem gleicherweise hier nicht gezeigten Elektromotor in Bewegung gesetzt. An dem Zylinder 1 ist unter Zwischenschaltung einer Ventilplatte 4 und Dichtungen 3 und 11 ein Zylinderdeckel 2 befestigt.

In dem Zylinder 1 sind an der den Raum über dem Kolben 2 abschließenden Ventilplatte 4 eine Eintrittsöffnung 5 und eine Austrittsöffnung 7 ausgestaltet. Ein Flatterventil 6 verschließt die Eintrittsöffnung 5 und ist an der dem Kolben 2 zugewandten Seite der Ventilplatte 4 angeordnet. Ein Flatterventil 8 verschließt die Austrittsöffnung 7 und liegt an der dem Zylinderdeckel 12 zugewandten Seite der Ventilplatte 4. Die Bewegung des Flatterventils 8 wird durch ein Begrenzungsblech 9 begrenzt, das bei der hier dargestellten Ausführungsform an der einen Seite über Nieten 10 an der Ventilplatte 4 befestigt ist. Der Zylinderdeckel 12 enthält ein Eintrittsrohr 13 und ein Aus­ trittsrohr 14, die die Zirkulation des Kühlmediums ermöglichen.

Fig. 2, 3 und 4 stellen eine mögliche Anordnung der Eintrittsöffnung 6 und der Austrittsöffnung 7 an der Ventilplatte dar. Bei dieser Anordnung besteht die Austrittsöffnung 7 aus einem einzigen Kanal und ist so angeordnet, daß dessen Achse zu der Ebene - die zu der Biegeachse Z des Flatterventils 8 als Normalen senkrecht ist - parallel verläuft und zu der Normalen N der Ventil­ platte 4 und daher zu der Fläche des verschließenden Teils 8 a des Flatter­ ventils 8 geneigt ist, und zwar so, daß die Richtung des Gasstroms zu der an dem befestigten Ende des Flatterventils 8 verlaufenden Biegeachse Z hin ge­ richtet ist. Fig. 4 zeigt die Position der Austrittsöffnung 7 an der Ventil­ platte 4. In der Figur ist die Querschnitts-Kreisfläche des Zylinders 1 in dem zu der Längsachse des Zylinders 1 senkrechten Schnitt dargestellt und es ist wohl ersichtlich, daß die Austrittsöffnung 7 zylinderraumseitig von dem Bereich nahe des geometrischen Mittelpunkts der Kreisfläche 1 a ausgeht. die Ein­ trittskanäle 5 hingegen sind zu der Achse des Zylinders 1 parallel.

Fig. 5, 6 und 7 stellen eine Ventilplatte dar, in dem eine aus zwei Kanälen ausgebildete Austrittsöffnung ausgestaltet ist. Es ist aus der Figur klar er­ sichtlich, daß die Kanäle 7 a, 7 b - ähnlich wie bei der vorhergeschilderten Lösung - zu der Ebene, die zu der Biegeachse des Flatterventils als Normalen senkrecht ist - parallel verlaufen, jedoch der Kanal 7 a zu der an dem befe­ stigtem Ende des Flatterventils 8 verlaufenden Biegeachse hin geneigt ist, wohingegen die Achse des Kanals 7 b zu der Achse des Zylinders 1 parallel ist und des weiteren - ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 4 - der Kanal 7 a von der Umgebung des geometrischen Mittelpunktes der Kreisfläche 1 a aus­ geht.

In den Fig. 8, 9 und 10 ist in gleicher Weise die Ventilplatte 4 dargestellt, in der eine aus zwei Kanälen 7 c und 7 d gebildete Austrittsöffnung ausgestaltet ist. Bei dieser Anordnung sind die Kanäle 7 c und 7 d zu der Fläche des ver­ schließenden Teils 8 a des Flatterventils 8 geneigt, gleichzeitig aber auch zu der bei dem befestigten Ende des Flatterventils 8 verlaufenden Biegeachse Z geneigt, wobei jeder Kanal an der zylinderraumseitigen Fläche der Ventilplat­ te von dem Bereich nahe des geometrischen Mittelpunkts der Kreisfläche 1 a ausgeht.

In den Fig. 11, 12 und 13 sind solche Ventilplatten veranschaulicht, in denen zwei Austrittsöffnungen 7 f, 7 g so angeordnet sind, daß sie der Symme­ trielinie der Fläche der verschließenden Teile 8 a des Flatterventils 8 folgen. Die Anordnung der Austrittsöffnungen 7 f und 7 g ist mit jener der Austritts­ öffnungen 7 a und 7 b übereinstimmend (siehe Fig. 5, 6 und 7). Selbstverständ­ lich kann die Anzahl der Austrittsöffnungen mehr als zwei betragen, aber auch in diesem Fall ist die Feststellung geltend, daß die beiden einander fol­ genden Austrittsöffnungen so angeordnet werden müssen, daß sie der Symme­ trielinie 15 der Fläche der verschließenden Teile 8 a des Flatterventils 8 fol­ gen.

Selbstverständlich beschränkt sich die erfindungsgemäße Anordnung der Venti­ le keinesfalls auf die hier geschilderten und beschriebenen Ausführungsbeispie­ le. Es sind zahlreiche Möglichkeiten für die Anordnung und Anzahl der Aus­ trittsöffnungen gegeben, die in unserer Beschreibung nicht angeführt worden sind, die aber die erfindungsgemäße Ventilanordnung realisieren.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Ventile hebt sich das Flatterventil 8, wenn der Kolben 2 in dem Zylinder 1 nach oben fährt, und das Kühlmedium strömt in den Raum zwischen der Ventilplatte und dem Zylinderdeckel 12 ein. Im Moment des Öffnens biegt sich das Flatterventil 8 aus und sitzt teilweise auf dem Begrenzungsblech 9 auf. In dieser Stellung nähert sich der "Einfallswinkel" des aus der Austrittsöffnung austretenden Gasstrahls immer mehr der Normalen zu der Fläche des verschließenden Teils 8 a des Flatterven­ tils 8 an, wodurch die zu der Fläche senkrechte Komponente der auf die Oberfläche des verschließenden Teils 8 a des Flatterventils einwirkenden Kraft zunimmt; gleichzeitig tritt in dem Raum zwischen der Ventilplatte 4 und dem Zylinderdeckel 12 ein Druckanstieg auf. Dieser Druckanstieg und die aus dem Ausbiegen des Flatterventils 8 stammende rückbiegende Kraft geraten ins Gleichgewicht mit der in dem Spalt zwischen dem Flatterventil 8 und der Austrittsöffnung 7 infolge des Gasdrucks auftretenden Druckkraft, da hier kein freier Durchfluß vorhanden ist, wie dies der Fall bei dem in der Einleitung erwähnten britischen Patent ist. Daraus folgt, daß beim Öffnen nur eine minimale Nachschwingung entsteht.

Der infolge der Spaltdrosselung zwischen der Austrittsöffnung 7 und dem Flatterventil 8 auftretende Verlust wird dadurch weitgehend überkompensiert, daß der Anfang der Kanäle 7 a, 7 b, 7 c, 7 d, 7 f, 7 g an der dem Zylinder 1 zuge­ wandten Seite der Ventilplatte 4 von der Umgebung des geometrischen Mittel­ punkts der Kreisfläche 1 a ausgeht. Auf diese Weise verringern sich die Be­ wegungsbahn der von dem geometrischen Mittelpunkt fernerliegenden Gasteil­ chen sowie der beim Eintritt zustande kommende Widerstand bei dem Richtungsbruch, wodurch das Gas leichter strömt und die beim Eintritt entste­ henden Strömungsverluste herabgesetzt werden können. Aus dem Gesagten geht hervor, daß bei der Gestaltung der erfindungsgemäßen Ventilplatte die Anzahl und die Amplitude der Schwingungen des Flatterventils 8 sowie der Druck­ schwankungen in dem Zylinderraum - mit den bisher angewendeten Lösungen verglichen - sich verringern, wodurch auch der sich aus den Ventilvibrationen und Druckschwankungen in dem Zylinderraum ergebende Geräuschpegel ge­ ringer wird, gleichzeitig ein besserer Förderwirkungsgrad des Kompressors er­ reicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung kann bei allen Kolbenkühlkompressoren vorteilhaft verwendet werden, bei denen der Zylinderdeckel den Zylinder über einer Ventilplatte verschließt, an der Ventilplatte eine oder mehrere, mit Flatterventil versehene Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen vorgesehen sind und die Drehzahl des Kühlkompressors verhältnismäßig hoch ist.

Claims (4)

1. Kolbenkühlkompressor, dessen Zylinder unter Zwischenschaltung einer Ven­ tilplatte von einem Zylinderdeckel verschlossen wird, an der eine oder meh­ rere Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen ausgestaltet sind, die mit an dem einen Ende befestigten Flatterventilen geöffnet bzw. verschlossen werden, wobei die Austrittsöffnung(en) an der dem Kolben zugewandten Seite mit einem oder mehreren Kanälen anfangen kann (können), von denen minde­ stens einer schräg verläuft und an der dem Flatterventil zugewandten Seite zu einem oder mehreren Kanälen bzw. zu einer oder mehreren Austritts­ öffnungen vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (7, 7a, 7 b, 7 c, 7 d, 7 f, 7 g) von einer Stelle in der Umgebung der geometrischen Achse des Zylinders (1 ) ausgehen und der schräge Kanal zu der Normalen (N) der Ventilplatte (4) und zu der Fläche des verschließenden Teils (8 a) des Flatterventils (8) geneigt ist, und zwar derart, daß nach erfolgtem Öffnen des Flatterventils (8) die Richtung der Gasströmung zu der bei dem befe­ stigten Ende des Flatterventils (8) liegenden Biegeachse (Z) hin verläuft und zu der zu der Biegeachse (Z) des Flatterventils (8) als Normalen senk­ rechten Ebene geneigt ist oder zu dieser parallel ist.

2. Kolbenkühlkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung aus zwei Kanälen (7 a, 7 b) besteht, wobei die Symmetrie­ achse des einen Kanals (7 a) gegen die Symmetrieachse des Zylinders (1) geneigt verläuft und die Symmetrieachse des anderen Kanals (7 b) zu der Symmetrieachse des Zylinders (1) parallel ist, wobei die beiden Kanäle (7 a, 7 b) an dem dem Zylinderdeckel zugewandten Teil der Ventilplatte (4) zu einer einzigen Austrittsöffnung vereinigt sind.

3. Kühlkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung aus zwei Kanälen (7 c, 7 d) besteht und die Kanäle (7 c, 7 d) teilweise zu der Fläche des verschließenden Teils (8 a) des Flatterventils (8), teilweise zu der an dem befestigten Ende des Flatterventils (8) ver­ laufenden Biegeachse (Z) geneigt sind.

4. Kühlkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Fall, in dem zwei oder mehr Austrittsöffnungen vorgesehen sind, zwei ein­ ander folgende Glieder (7 f, 7 g) der Austrittsöffnungsserie der Symme­ trielinie (15) des verschließenden Teils (8 a) des Flatterventils (8) folgen.