DE4420865A1 - Kältekompressor mit einem kugelförmigen Auslaßventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Kältekom­ pressoren, und insbesonders luftdichte Kältekompressoren des Kleinleistungstyps, die bei Haushaltsgeräten wie Kühlschrän­ ken und Tiefkühlschränken und -truhen verwendet werden.

Es besteht ein ständiger Bedarf nach erhöhter Energieeffi­ zienz bei diesen Geräten, und ein Gebiet, bei dem große Ver­ besserungen erzielt wurden, ist der luftdichte Kompressor. Während viele der Verbesserungen bei dem Elektromotorteil des Kompressors erzielt worden sind, besteht noch weiterer Spiel­ raum auf dem Gebiet des volumetrischen und Kompressionswir­ kungsgrads des Kolbenkompressors.

Einer der Faktoren, die den volumetrischen Wirkungsgrad die­ ser Kompressoren beeinträchtigen, ist der Totraumvolumen oder Wiederausdehnungsvolumen des Pumpzylinders, das als das Volu­ men des Raums innerhalb des Pumpzylinders definiert ist, wenn sich der Kolben am oberen Zentrum oder dem Ende des Pumphubs befindet. Dieser Raum besteht im wesentlichen aus dem Raum zwischen der Kolbenfläche und der Ventilplatte, auf der die Einlaß- und Auslaß-Plättchenventile angebracht sind, wie auch aus dem Volumen der Auslaßöffnung, die sich durch die Ventil­ platte erstreckt. Da sich das Plättchenventil als Auslaßven­ til an der Außenseite der Ventilplatte befindet und die Ventilplatte eine bestimmte Mindestdicke aufweisen muß, damit sie die erforderliche Festigkeit aufweist, ist das Volumen der Auslaßöffnung notwendigerweise der Hauptteil des gesamten Totraumvolumens. Der ideale Kompressor hätte kein Totraumvo­ lumen, und im allgemeinen ist der Wirkungsgrad des Kompres­ sors desto geringer, je größer der Totraum ist. Der Grund da­ für, daß der Totraum den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt ist, daß dieses Volumen aus Gasen besteht, die zusätzliche Arbeit oder Energie bei der Kompression bei dem Arbeitshub des Kolbens erfordern, und diese Energie wird nur teilweise durch die Wiederausdehnung bei dem Ansaughub wiedergewonnen, wenn der Zylinder durch die Einlaßöffnung wiedergefüllt wird. So vergrößert die Verringerung des Totraums den Wirkungsgrad des Kompressors, solange andere Faktoren nicht auch nachtei­ lig beeinflußt werden.

Da das Totraumvolumen hauptsächlich aus den vorstehend be­ schriebenen zwei Komponenten besteht, haben Bemühungen zur Verringerung dieses Volumens dazu geführt, den Abstand zwi­ schen der Kolbenfläche und der Ventilplatte oder spezifi­ scher, dem Ventilblech, das das Ansaugventilplättchen verkör­ pert, auf ein Minimum herabzusetzen. Was das Volumen für die Auslaßöffnung anbetrifft, kann der Durchmesser nicht auf we­ niger als ein gewisses Minimum verkleinert werden, weil die­ ses die Einschnürung des Auslaßstroms vergrößern würde, und die Länge der Öffnung muß ausreichend sein was die Ventil­ plattendicke anbetrifft, damit die notwendige Festigkeit den Kräften des komprimierten Kühlmittels widersteht. Während ei­ ne gewisse Verkürzung der Öffnungslänge dadurch erzielt wurde, daß das Auslaßventil in die Ventilplatte eingelassen wurde, wie in dem US Patent 4 723 896, erteilt am 9. Februar 1988 an J. F. Fritchman und abgetreten an den Abtretungs­ empfänger der vorliegenden Erfindung abgetreten, ist es noch notwendig, daß eine ausreichende Dicke des Ventilplattenmate­ rials gegeben ist, so daß die Auslaßöffnung ein wesentlicher Teil des gesamten Totraumvolumens bleibt.

Ein weiterer Ansatz bezüglich der Verkleinerung des Totraum­ volumens der Auslaßöffnung bestand darin, einen Stopfen oder einen Vorsprung auf der Kolbenfläche vorzusehen, der sich in die Auslaßöffnung erstreckt und sie so teilweise füllt. Dies kann so erfolgen, wie es in dem US Patent 5 149 254 des vor­ liegenden Erfinders gezeigt wird, das am 22. September 1992 erteilt wurde, aber mit dieser Anordnung sind relativ hohe Herstellungskosten verbunden und sie erfordert noch einen Spielraum zwischen den Seiten des Stopfens und der Wandfläche der Öffnung selbst.

Ein weiterer Ansatz bestand darin, ein Ventil zu schaffen, das über den eigentlichen Abdichtventilsitz hinaus in die Auslaßöffnung selbst vorsteht, um das Volumen zwischen dem Ventilelement und dem Kolben im wesentlichen zu füllen. In dem Fall von großen Kompressoren größerer Leistung wurde dies erreicht, indem ein zentral angeordnetes Tellerventil und ein dieses umgebendes ringförmiges Auslaßventil verwendet wird. Das Auslaßventil kann die Form entweder eines geführten Tel­ ler oder eines freien Tellers haben, der mittels einer Vor­ spannfeder und eines großen konischen Ventilsitzes positio­ niert ist, wobei es die Abmessungen des Tellers gestatten, daß sich die flache Fläche des Tellers in die Nähe der Fläche des Kolbens erstreckt. Beispiele dieser Anordnung sind in den US Patenten 4 368 755 und 4 543 989 gezeigt. Es wurde jedoch gefunden, daß diese Anordnungen nicht auf die viel kleineren Haushaltskältekompressoren und ihre begrenzte Größe und ein­ fache Konstruktion anwendbar sind.

Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein neues kugelförmiges Auslaßventil, das im wesent­ lichen das Totraumvolumen der Auslaßöffnung eliminiert. Der Kompressor ist von der Art mit einem Einzelzylinder, wobei das offene Ende des Zylinders durch eine flache Ventilplatte abgeschlossen ist. Das Einlaßventil hat die Form eines dünnen Blechs aus Federstahl und erstreckt sich zwischen der Ventil­ platte und dem Zylinderblock, wobei das Blech zur Bildung des Einlaßventils und zur Schaffung eines offenen Bereichs um die Auslaßöffnung herum weggeschnitten ist. Die Auslaßöffnung selbst ist als kugelförmiger Ventilsitz in der Form eines Ku­ gelsegments gebildet, das durch die Ebenen der Innen- und Außenseiten der Ventilplatte begrenzt ist, wobei der Rand an der Stelle, an der der Ventilsitz die Innenfläche der Ventil­ platte schneidet, abgerundet ist, um den scharfen Rand zu eliminieren.

Das Ventil hat die Form eines schwebenden oder losen Tellers, wobei ein vollständig kugelförmiger Kopf den gleichen Krüm­ mungsradius aufweist wie der Ventilsitz. An der von dem Kopf entfernten Seite weist der Teller einen kurzen zylindrischen Schaft oder runden Vorsprung auf, der in einer flachen Stirn­ fläche lotrecht zu der Achse des Tellers endet. Eine flache, blattförmige Ventilfeder erstreckt sich über den Tellerschaft und kann die Tellerstirnfläche entweder berühren oder von ihr geringfügig beabstandet sein, um den Teller in die Schließ­ stellung vorzuspannen, während ein starres Anschlagelement an der Ventilplatte oberhalb der Feder und dem Teller befestigt ist, um den Weg des Ventiltellers in Öffnungsrichtung zu be­ grenzen.

Da der Teller eine vollständig kugelförmige Gestalt hat, er­ streckt sich der Mittelpunkt des Tellers durch die Auslaßöff­ nung über die Innenseite der Ventilplatte hinaus, wenn sich der Teller in der Schließstellung befindet. Während dies im wesentlichen das Totraumvolumen der Auslaßöffnung ausschal­ tet, ist es notwendig, eine Vertiefung geeigneter Größe auf der Fläche des Kolbens vorzusehen, um für den notwendigen Mindestarbeitsspielraum zu sorgen, um den Kontakt zwischen dem Ventilteller und dem Kolben zu verhindern. Zusätzlich zu der Vertiefung auf der Kolbenfläche, kann die Kolbenfläche um diese Vertiefung herum auch leicht vertieft oder ausgespart sein, wie in dem vorstehend erwähnten US Patent 5 149 254 er­ wähnt.

Vorzugsweise besteht der Teller aus einem Hochleistungskunst­ stoffmaterial wie einem mit Graphit gefüllten Polyimidharz, das hohen Temperaturen und dem Angriff durch Kühlmittel wi­ dersteht, während es für eine große Abdichtnachgiebigkeit sorgt. Da der Ventilsitz und der Tellerkopf mit dem gleichen Krümmungsradius ausgebildet sind, kann sich der Teller rela­ tiv zu dem Ventilsitz drehen, ohne seine Abdichtfähigkeit zu beeinträchtigen, obgleich die auf die Stirnfläche durch die Ventilfeder aufgebrachte Vorspannkraft eine gewisse Zentrie­ rungswirkung ausübt.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht im Schnitt durch einen Kälte­ kompressor mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten, Teilschnitt durch den Kol­ ben, den Zylinder und die Ventilplatte und zeigt die Lage des Kolbens in der Nähe des Beginns des Kompressionshubs,

Fig. 3 zeigt eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2, die aber den Kolben in der Nähe des Endes des Hubs zeigt, genau bevor sich das Auslaßventil zu öffnen beginnt,

Fig. 4 zeigt eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2 und 3, die das Auslaßventil zu Beginn des Öffnens zeigt,

Fig. 5 zeigt eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2 bis 4, die den Kolben am Ende seines Hubs zeigt, wobei das Auslaßventil vollständig offen ist,

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Teilansicht ähnlich der von Fig. 5 unter Darstellung von Einzelheiten des Kolbens und des Auslaßventils,

Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf die Ventilplatte mit dem Auslaßventilmechanismus in seiner Lage,

Fig. 8 zeigt eine Stirnansicht des Kolbens,

Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die Ventil­ platte und das Auslaßventil gemäß einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 10 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 10-10 von Fig. 9, und

Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf die Ventilplatte vor dem Zusammenbau des Ventils.

Mit detaillierterem Bezug auf die Zeichnungen, und insbeson­ dere auf Fig. 1, umfaßt ein luftdichter Einzelzylinder-Kälte­ kompressor 10 mit hin- und hergehendem Kolben einen Metall­ mantel 11, innerhalb dessen ein Zylinderblock 12 angebracht ist, der nachgiebig auf Federn 14 gelagert ist, die auf Trag­ armen 16 ruhen, die an der Innenseite des Mantels 11 befe­ stigt sind. Der den Kompressor antreibende Elektromotor um­ fast einen Stator 18, der direkt an der oberen Fläche des Zy­ linderblocks 12 befestigt ist. Ein Rotor 19 ist innerhalb des Stators 18 angeordnet und ist von einer drehbaren Kurbelwelle 21 getragen, die in einer Lagernabe 22 am Zentrum des Zylin­ derblocks gelagert ist.

Der Zylinderblock 12 umfaßt einen sich waagerecht erstrecken­ den Zylinder 24, der durch den Block von einem Ende zum ande­ ren Ende in radialer Fluchtung mit der Kurbelwelle 21 gebohrt ist und an seinem äußeren Ende an einer Stirnfläche 26 endet, die an dem Zylinderblock ausgebildet ist und in einer Ebene lotrecht zu der Achse des Zylinders 24 liegt. Ein Kolben 28 ist verschiebbar innerhalb des Zylinders 24 mit einem Ab­ dichtsitz angebracht und auf übliche Weise mit einer Kurbel 31 auf der Kurbelwelle 21 durch eine Pleuelstange 29 verbun­ den, so daß, wenn die Kurbelwelle 21 gedreht wird, der Kolben 28 sich in dem Zylinder 24 zu der Stirnfläche 26 und von ihr weg hin- und herbewegt.

Eine Ventilplatte 33 ist an der Stirnfläche 26 angebracht, um sich vollständig über den Zylinder 24 und den umgebenden Be­ reichen der Stirnfläche zu erstrecken, und ein Auslaßven­ tilblech (34) aus dünnem Federstahl ist an der Innenseite der Oberfläche 36 der Ventilplatte zwischen der Ventilplatte und der Stirnfläche 26 des Zylinderblocks angeordnet. Ein Zylin­ derkopf 37 ist an der Außenseite der Ventilplatte 33 befe­ stigt und erstreckt sich im allgemeinen über die gesamte Ven­ tilplatte, um sowohl einen Einlaß- als auch ein Auslaßraum zu schaffen. Der Einlaßraum (nicht gezeigt) wird mit Kühlmittel­ gas aus der Rückführleitung durch einen Einlaßdämpfer 39 ver­ sorgt und gestattet es, daß die Einlaßgase durch eine Einlaß­ öffnung, die bei 38 (Fig. 7) gezeigt ist, an einem Plättchen­ einlaßventil, das in dem Ventilblech 34 ausgebildet ist, vor­ beizuströmen, um es zu gestatten, daß der Zylinder während des Ansaughubs des Kolbens auf dem Ansaughub gefüllt wird. Der größere Teil des Zylinderkopfes 37 wird von dem Auslaß­ raum 40 herausgenommen, der durch geeignete Dämpfer (nicht gezeigt), mit einer Auslaßleitung 41 verbunden ist, um mit dem Äußeren des Mantels verbunden zu sein.

Die Ventilplatte 33 weist eine Auslaßausnehmung 43 an der Außenseite oder -fläche 42 innerhalb des Auslaßraums 40 auf. Der Zweck der Auslaßausnehmung 43 ist es zu gestatten, daß die Ventilplatte 33 in diesem Bereich dünner ist, um die Höhe der Ventilstruktur zu verringern und den Gasstrom zu verbes­ sern, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird. An je­ der Seite der Ausnehmung 43 befindet sich ein Aussparungsbe­ reich einer geringeren Tiefe unterhalb der Außenfläche 42. So erstreckt sich der Aussparungsbereich 44 in der einen Rich­ tung gesehen in Fig. 7 nach links und ist relativ schmal, während sich ein breiterer Aussparungsbereich 46 der gleichen Tiefe wie der Bereich 44 nach rechts erstreckt und eine Breite aufweist, die im wesentlichen die gleiche wie dieje­ nige der Ausnehmung 43 ist. Die Auslaßöffnung 38 befindet sich in der Ausnehmung 43 in der Nähe des rechten Ausspa­ rungsbereichs 46. Eine flache Blatt-Ventilfeder 51 erstreckt sich quer über die Ausnehmung 43 in beide Aussparungsbereiche 44 und 46. Die Feder hat eine Breite, die nur etwas geringer ist als diejenige des linken Aussparungsbereichs 44 so daß, wenn das Federende 52 innerhalb des Aussparungsbereichs 44 eingesetzt wird, die seitliche Bewegung des anderen Endes 53 innerhalb des Aussparungsbereichs 46 ziemlich begrenzt ist, so daß die Feder seitlich in ihrer Lage gehalten wird.

Ein starres Anschlagelement 56 ist über der Feder 51 ange­ bracht und weist ein Ende 57 innerhalb des Aussparungsbe­ reichs 44 auf, wo sich ein Niet 58 durch geeignete Öffnungen sowohl in dem Anschlagelement 56 als auch dem Federende 52 erstreckt, das in der Ventilplatte 33 zu befestigen ist und diese Elemente fest zusammenzuklemmt und das Anschlagelement und die Feder in ihrer Lage hält. Der mittlere Abschnitt 59 des Anschlagelements 56 ist so geformt, daß er sich mit einem gekrümmten Bereich nach oben erstreckt, der sich über der Ausnehmung 43 von dem einen Ende 57 zu dem anderen Ende 61 innerhalb des anderen Aussparungsbereichs 46 erstreckt. Ein seitlicher Vorsprung 62 erstreckt sich von dem Ende 61 des Anschlagelements und ist geringfügig nach unten in Richtung auf die Ventilplatte versetzt, um mit dieser in anliegender Berührung zu stehen. Ein Niet 63 ist an der Ventilplatte 33 befestigt, um den Vorsprung 62 und das benachbarte Ende des Anschlagelements in ihrer Lage zu halten. So ist ersichtlich, daß das Anschlagelement 56 starr an beiden Enden der Ventil­ platte befestigt ist, während die Feder 51 nur an dem einen Ende 52 befestigt ist, während dem anderen Ende 53 ein be­ grenzter vertikaler Bewegungsweg zwischen dem Aussparungsbe­ reich 46 und dem Anschlagende 61 zur Verfügung steht.

Der Ventilsitz 65 ist um die Auslaßöffnung 48 innerhalb der Ausnehmung 43 gebildet und besitzt eine kugelförmige Gestalt, so daß eine Kugel des richtigen Durchmessers mit der gesamten Oberfläche des Ventilsitzes einen Oberflächenanliegekontakt herstellt. Eine geeignete Abrundung 66 ist zwischen dem Ven­ tilsitz 65 und der Innenseite 36 der Ventilplatte 33 gebil­ det, um sowohl die Strömungscharakteristiken durch die Öff­ nung zu verbessern als auch jegliche scharfe Ränder zu elimi­ nieren, und mit Ausnahme der Rundung erstreckt sich der Ven­ tilsitz von der vollen Dicke der Ventilplatte an der Ausneh­ mung 43. Ein Ventilteller 68 besitzt einen kugelförmigen Kopf 69, wobei sich die kugelförmige Fläche vorzugsweise über die gesamte Oberfläche des Kopfes 69 bis zu einem Rand 70 er­ streckt, der eine hintere Fläche 73 begrenzt. Es ist jedoch zu beachten, daß nur der Teil des Kopfes 69, der den Ventil­ sitz 65 kontaktiert, kugelförmig sein muß und daß der Mittel­ teil abgeflacht oder anderweitig nicht kugelförmig gemacht werden könnte. Ein kurzer zylindrischer Schaft 71 erstreckt sich von dem Kopf 69 nach oben und endet in einer relativ flachen Stirnfläche 72 in der Nähe der Ventilfeder 51. Der Kugelradius des Kopfes 69 wird gleich dem des Ventilsitzes 65 gemacht, so daß, wenn der Teller 68 an Ort und Stelle sitzt, der Kopf 69 einen Oberflächenanliegekontakt mit der gesamten kugelförmigen Oberfläche des Ventilsitzes herstellt. Es ist ersichtlich, daß sich bei dieser Anordnung der Teller 68 tat­ sächlich um ein begrenztes Stück um seinen Krümmungsmittel­ punkt dreht und trotzdem einen Abdichtkontakt herstellt, ob­ gleich der Oberflächenanliegekontakt zwischen der Stirnfläche 72 und der Feder 51 dazu neigt, den Teller in einer fluchten­ den Stellung zu halten.

Obgleich die tatsächliche Länge des Wegs des Ventiltellers 68 zu dem und von dem Ventilsitz 65 weg relativ gering ist, ist es aufgrund der Tatsache wichtig, daß er mit einer hohen Ge­ schwindigkeit von etwa 3450 Schwingungen pro Minute in Über­ einstimmung mit der Geschwindigkeit des Kompressormotors be­ trieben wird, daß die Masse des Tellers so gering wie möglich ist. Dies ist besonders wichtig, da die einzige Kraft für das Öffnen des Ventils der Gasdruck innerhalb des Pumpzylinders ist, während der Druck in der Auslaßkammer 40 auch einen wichtigen Faktor bei der Schließbewegung des Tellers dar­ stellt, um die von der Ventilfeder 51 gelieferte Kraft zu un­ terstützen. Es wurde aufgrund dieses Bedarfs nach geringer Masse gefunden, daß die hochfesten polymeren Materialien, die ihre Eigenschaften bei den hohen Temperaturen beibehalten, denen der Teller ausgesetzt ist, bevorzugte Materialien für den Ventilteller 68 sind. Gegenwärtig ist das bevorzugte Ma­ terial für den Ventilteller 68 ein unter dem Warenzeichen "VESPEL" von der Firma Dupont, Wilmington, Delaware, verkauf­ tes Polyimidharz. Dieses Material ist in einer Reihe von un­ terschiedlichen Qualitäten erhältlich, und während eine mit Graphit gefüllte Qualität wie SP-22 verwendet wurde und für den Teller aufgrund ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten und der durch den Graphitfüllstoff zur Verfügung ge­ stellten Gleiteigenschaften besonders geeignet zu sein scheint, wurde nichtsdestotrotz gefunden, daß das nichtge­ füllte Harz der Qualität SP-1 überlegenere Ergebnisse mit ei­ nem hohen Grad an Beständigkeit ergibt.

Es wurde gefunden, daß es für die Ausbildung einer positiven Abdichtung ziemlich wichtig ist, eine äußerst glatte Endbear­ beitung sowohl des Tellerkopfes 69 als auch des Ventilsitzes 65 zu haben, obgleich anscheinend das übliche Vorhandensein eines Ölfilms in diesen Bereichen aufgrund des Schmieröls des Kompressors für eine ausreichende Abdichtung sorgt. So wurde gefunden, daß der Ventilsitz 65 vorzugsweise eine Oberflä­ chenbeschaffenheit aufweisen sollte, die nicht mehr als sechs Mikrozoll beträgt, während der Ventiltellerkopf 69 mindestens eine Oberflächenbeschaffenheit von maximal zwölf Mikrozoll aufweisen sollte. Es ist zu beachten, daß der Durchmesser des Rands 70 auf dem Kopf 69 größer sein sollte als der maximale Durchmesser des Ventilsitzes 65 an der Ausnehmung 43, um si­ cherzustellen, daß, selbst wenn sich der Teller etwas von dem Krümmungsmittelpunkt des Kopfes 69 weg bewegt, trotzdem noch ein vollständig anliegender Oberflächenkontakt entlang des gesamten Ventilsitzes 65 besteht.

Diese Konfiguration stellt sicher, daß der Ventilkopf 69 über die Innenseite 36 der Ventilplatte 33 vorsteht. Aus diesem Grund ist die Kolbenstirnfläche 75 mit einer kugelförmigen Ausnehmung 74 in Fluchtung mit dem Ventilteller 68 versehen, um jeglichen möglichen Kontakt zwischen dem Kolben und dem Ventilteller zu vermeiden, um das Totraumvolumen auf einem absoluten Minimum zu halten. Außerdem wird die Kolbenstirn­ fläche 75 vorzugsweise mit einer geneigten Spielraumausspa­ rung 76 um die kugelförmige Ausnehmung 74 herum versehen, um einen verbesserten Strom des Kühlmittelgases zu ermöglichen, wenn sich die Kolbenstirnfläche 75 dem oberen Totpunkt nä­ hert, um eine noch größere Verringerung des Totraumvolumens wie in dem vorstehenden Patent 5 149 254 gezeigt und erör­ tert, zu gestatten.

Der Betrieb des Tellerventils ist am klarsten aus Fig. 2 bis 5 ersichtlich. Während normaler Betriebsbedingungen, wenn sich die Drücke im gesamten System stabilisiert haben, hat der typische Haushaltskühlschrank oder die typische Nahrungs­ mittelkühltruhe einen obenseitigen oder Auslaßdruck des Kom­ pressors, der etwa 8 bis 10 Mal höher als der untenseitige oder Einlaßdruck ist. Der Einlaßdruck bestimmt den Druck in­ nerhalb des Pumpzylinders, wenn der Kolben mit seinem Kom­ pressionsdruck beginnt, da das Füllen durch ein druckbetrie­ benes Einlaß-Plättchenventil erfolgt und sich der Kolben über eine ausreichende Strecke bewegen muß, so daß der Gasdruck innerhalb des Zylinders größer ist als an der Auslaßseite in­ nerhalb des Auslaßraums 40, bevor sich das Auslaßventil öff­ nen kann. Dies bedeutet, daß sich der Kolben über den größten Teil seines Hubs bewegt haben muß, wobei er das Gas innerhalb des Zylinders komprimiert, bevor irgendeine Öffnungsbewegung des Auslaßventils stattfinden kann.

Wenn sich der Kolben in der Nähe des unteren Teils des Hubs wie in Fig. 2 gezeigt befindet, wird das Auslaßventil mit dem Teller 68 in eng dichtender Berührung mit dem Ventilsitz 65 geschlossen. Das freie Ende 53 der Ventilfeder 51 liegt gegen den Aussparungsbereich 46 an, und es wurde gefunden, daß es in dieser Stellung wünschenswert ist, einen geringen Spiel­ raum zwischen der Stirnfläche 72 des Tellers und der 51 Feder zu haben. Dieser Spielraum ist für die Abdichtung nicht schädlich, da die grundlegende Abdichtkraft, die den Teller gegen den Ventilsitz hält, der Druck innerhalb des Auslaß­ raums 40 ist, statt irgendeiner durch die Feder 51 ausgeübten Kraft, deren Hauptzweck es ist, die anfängliche Schließkraft in der Nähe der vollständig offenen Stellung zu schaffen, die den Teller zur Berührung mit dem Ventilsitz bewegt, statt das Ventil tatsächlich in seiner Schließstellung zu halten.

Wenn der Kolben eine Stellung in der Nähe des Endes seines Hubs wie in Fig. 3 gezeigt erreicht hat, ist der Druck inner­ halb des Zylinders gleich dem Druck in dem Auslaßraum 40, was es dem Teller 68 gestattet, sich aus der Abdichtberührung mit dem Ventilsitz herauszubewegen. Falls von der Feder 51 keine Kraft ausgeübt wird, besteht die zu überwindende Hauptkraft aus den durch einen zwischen dem Teller 68 und dem Ventilsitz 65 vorhandenen Ölfilm bewirkten Adhäsionskräften. Wenn sich der Teller eine kurze Strecke frei bewegen kann, vielleicht im Bereich von 0,1 Millimetern, bevor er die Feder berührt, beginnt das Ventil, sich schnell bei einem minimalen Druck­ differential zu öffnen, das allein durch die durch den Ölfilm bewirkten Adhäsionskräfte bestimmt wird.

Wenn sich der Kolben wie in Fig. 4 gezeigt weiter bewegt, wo­ bei der Druck innerhalb des Zylinders im wesentlichen den in dem Auslaßraum übersteigt, kann sich der Teller jetzt bewegen und anfangen, die Feder zu biegen, so daß sich das freie Ende 53 der Feder 51 aus der Berührung mit dem Aussparungsteil 46 bewegt, bis sie die Unterseite des Endes 61 des Anschlags 56 berührt. Während dieser kurzen Bewegung des Federendes 53, wird die Federkraft allein durch das Auslenken der Feder in gekragter Form an dem entgegengesetzten Ende 52 bestimmt. Wenn jedoch, nachdem das Federende 53 das Anschlagende 61 be­ rührt hat, die Feder tatsächlich an beiden Enden gehalten wird und ihre Steifigkeit oder Stärke sehr zunimmt, so daß die weitere Bewegung des Tellers 68 durchgeführt werden muß, indem der mittlere Teil der Feder 51 nach oben in Richtung auf den zentralen Abschnitt 59 des Anschlagelements 56 wie in Fig. 5 gezeigt durchgebogen wird. Bei dieser Anordnung be­ sitzt die Feder 51 eine zunehmende Stärke, da sich die Stärke vergrößert, wenn der Teller den größten Weg hat, wie dies während der Anlaufbedingungen auftreten kann, wenn es noch keinen Gegendruck in dem Auslaßraum 40 gibt. So gibt es, falls sich der Teller weiter öffnet, eine viel größere Feder­ kraft, die dazu neigt, ihn zu schließen, und diese Kraft fällt auf Null ab, bevor das Ventil seinen Sitz erreicht, und wenn man annimmt, daß es zwischen der Schaftstirnfläche 72 und der Feder 51 in der Schließstellung einen Spielraum gibt, ergeben sich abschließende Schließkräfte vollständig aus dem Gasdruck plus der Trägheit des Tellers bei seiner Schließbe­ wegung. Außerdem setzt die Feder, wenn der Teller geöffnet wird, dem schnellen Öffnen einen minimalen Widerstand entge­ gen, um sicherzustellen, daß die Zeit ausreicht, um die maxi­ male Menge des komprimierten Gases in den Auslaßraum abzuge­ ben.

Die vorliegende Erfindung erhöht die Wirksamkeit des Kompres­ sors grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Weisen. Erstens schafft die Tatsache, daß der Tellerkopf kugelförmig ist wie es auch der Ventilsitz ist, einen klaren Strömungsweg mit mi­ nimaler Turbulenz, wenn der Teller von dem Sitz beabstandet ist, da sich die Strömungsrichtung des Gases weniger ändert als bei einem flachen Plättchenventil, das auf einen flachen Sitz wirkt. Außerdem ist es möglich, das Totraumvolumen in dem Kompressor wie weiter in dem vorstehend erwähnten Patent 5 149 254 beschrieben sehr zu verringern. Aus den in diesem Patent dargelegten Gründen gestattet das Vorhandensein der Spielraumausnehmung 76 auf der Kolbenfläche 75, daß es dem verbleibenden Teil der Kolbenfläche gestattet wird, näher an die Innenseite des Einlaßventilblechs 34 zu kommen, um die Menge an Totraumvolumen um die Ventilöffnung herum zu verrin­ gern. Außerdem eliminiert die Tatsache, daß es dem Ventiltel­ lerkopf 69 gestattet wird, über die Oberfläche der Ventil­ platte 33 hinaus vorzustehen und dem Ventilblech 34 gestattet wird, in die kugelförmige Ausnehmung 74 vorzustehen, das ge­ samte Totraumvolumen mit Ausnahme eines geringen Teils, das der von der Auslaßventilöffnung bei Plättchenauslaßventil- Kompressoren eingenommen wird. Vorzugsweise ist die kugelför­ mige Ausnehmung 74 so bemessen, daß es, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt oder seiner größten Annäherung an die Ven­ tilplatte 33 befindet, noch einen minimalen Spielraum zwi­ schen dem Tellerkopf 69 und der Ausnehmung 74 gibt, falls der Teller in der Schließstellung vollständig gegen den Ventil­ sitz 65 aufsitzt. Dies stellt sicher, daß es keine Möglich­ keit der Berührung zwischen dem Ventilteller und dem Kolben unter irgendwelchen Bedingungen gibt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 9 bis 11 gezeigt, wobei die Zusammenbauanordnung für das Tellerven­ til Nieten oder Befestigungsmittel vermeidet, die sich durch die Ventilplatte erstrecken, während sie einen einfachen Zu­ sammenbau gestattet. Diese Ausführungsform weist im allgemei­ nen Elemente auf, die dem in dem US Patent 4 723 896 gezeig­ ten plättchenartiges Auslaßventil ähnlich sind, das Jack F. Fritchman am 9. Februar 1988 erteilt wurde und dem Abtre­ tungsempfänger dieser Anmeldung abgetreten wurde. Die Ventil­ platte 80 ist im allgemeinen ähnlich der Ventilplatte 33 mit den nachstehend beschriebenen Ausnahmen und weist parallele Innen- und Außenseiten bzw. -flächen 81 und 82 auf. Eine Ein­ laßöffnung 84 erstreckt sich durch die Ventilplatte, um ein plättchenartiges Einlaßventil (nicht gezeigt) aufzunehmen.

Eine Ausnehmung 86 ist in der oberen Fläche 82 ausgebildet, um eine untere Wand 87 aufzuweisen, die sich parallel zu den Ventilplattenflächen erstreckt und im allgemeinen durch Sei­ tenränder 88 begrenzt ist. Die untere Wand 87 ist von im we­ sentlichen gleichmäßiger Tiefe über ihrer gesamten Er­ streckung und dient im allgemeinen dazu, die Dicke der Ven­ tilplatte in diesem Bereich zu verringern, um die Verwendung eines kleineren Ventiltellers zu gestatten, welcher deshalb von einer geringeren Masse bei einem gegebenen Durchmesser sein kann, um ein rasches Ansprechen des Tellers gegenüber Öffnungs- und Schließkräften sicherzustellen. Die Auslaßöff­ nung 91 ist an einer Seite der Ausnehmung 86 aus Gründen, die nachstehend beschrieben werden, angeordnet und umfaßt einen kugelförmigen Ventilsitz 92, der einen abgerundeten Rand 93 aufweist.

An jedem Ende ist die Ausnehmung 86 mit etwas erhöhten Stütz­ flächen 94 und 96 versehen, die sich quer zu der Ausnehmung erstrecken und Oberflächen aufweisen, die in einer Ebene par­ allel zu den Ventilplattenflächen 81 und 82 liegen. In dem Bereich der Stützflächen 94 und 96 hat die Ventilplatte eine größere Dicke als in dem Bereich der Ausnehmung 86, während sie eine geringere Dicke aufweist als die der Bereiche der Ventilplatte außerhalb der Ausnehmung 86. Die Stützfläche 96 weist ein Paar von vorstehenden Ausnehmungen 97 auf, um Teile einer Ventilfeder aufzunehmen wie nachstehend detail­ lierter beschrieben wird. An jedem Ende der Ausnehmung 86 be­ sitzt die Ventilplatte außerhalb der Stützflächen 94 und 96 rechteckige Öffnungen 99, 101, die sich vollständig durch die Ventilplatte erstrecken.

Der Teller 103 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Teller 68 ausgebildet, aber weist eine etwas unterschied­ liche Form auf. Der Teller 103 weist einen kugelförmigen Kopf 104 des gleichen Krümmungsradius wie der des Ventilsitzes 92 und einen etwas größeren Durchmesser auf, um eine positive Abdichtungsberührung sogar dann sicherzustellen, wenn der Teller 103 aus der genauen Fluchtung mit dem Ventilsitz ge­ dreht wird. Der Teller 103 umfaßt einen Basisteil mit einer kurzen zylindrischen Wandfläche 107 zusammen mit einer fla­ chen Stirnfläche 108 mit dem vollen Durchmesser des Basis­ teils und eine Fläche, die sich lotrecht zu der Achse der zy­ lindrischen Fläche 107 erstreckt. Eine flache blattartige Ventilfeder 111 erstreckt sich über die Ausnehmung 86, wobei sich der Mittelteil 112 über die Ventiltellerstirnfläche 108 erstreckt. Ein Ende der Ventilfeder 111 liegt bei 113 gegen die Stützfläche 96 an und weist ein Paar Verlängerungen (nicht gezeigt) auf, die sich in die Ausnehmungen 97 er­ strecken, um die Ventilfeder in ihrer Lage zu halten. Das an­ dere Ventilfederende 116 befindet sich normalerweise in an­ liegender Berührung mit der Stützfläche 94. Die Ventilfeder 111 ist flach und steht normalerweise in Berührung mit den zwei Stützflächen 94 und 96 und kann entweder die Ventiltel­ lerstirnfläche 108 berühren oder einen geringen Spielraum da­ von wie vorstehend beschrieben aufweisen.

Ein starres Ventilanschlagelement 118 ist oberhalb der Ven­ tilfeder 111 angebracht und weist einen nach oben von der Ventilfeder 111 beabstandeten zentralen Bereich 119 auf, um es zu gestatten, daß sich die Ventilfeder nach oben durch­ biegt, wenn sich der Ventilteller von dem Ventilsitz weg be­ wegt. An seinem einen Ende 121 liegt der Ventilanschlag 118 an dem Ventilfederende 113 an und klemmt es gegen die Stütz­ fläche 96. Das andere Ende 122 des Ventilanschlags wird auf der Stützfläche 94 abgestützt, aber besitzt eine ausgesparte Anschlagfläche 123, die von der Stützfläche 96 beabstandet ist, um eine um eine geringe, nach oben gerichtete Bewegung des freien Ventilfederenden 116 weg von der Stützfläche 94 während der vorläufigen Öffnungsbewegung des Ventiltellers 103 zu gestatten. Dies sorgt für eine progressive Wirkung, so daß, wenn es einen anfänglichen Spielraum zwischen der Ven­ tiltellerstirnfläche 108 und der Ventilfeder 111 gibt, der anfänglichen Bewegung des Tellers aus dem Ventilsitz nur durch das Flüssigkeitsdruckdifferential, das über den Teller wirkt, Widerstand geleistet wird. Wenn irgendein Spielraum eingenommen wird, beginnt die Ventilfeder 111, sich zu bie­ gen, indem sie sich in der Nähe des Kopfendes 113 biegt, so daß sich das freie Ende 116 von der Stützfläche 94 abhebt, bis es die Anschlagfläche 123 berührt. Zu diesem Zeitpunkt trifft die weitere Bewegung des Tellers auf größeren Wider­ stand, da sich die Ventilfeder in der Mitte vollständig durchbiegen muß, da jetzt beide Enden in ihrer Lage befestigt sind.

Um den Ventilanschlag 118 in seiner Lage zu halten, greift eine vorstehende Spitze 126 in die Öffnung 101 in der Nähe der Stützfläche 96 ein und liegt vorzugsweise an der Seite der Öffnung 101 an, wobei der Ventilanschlag mit Bezug auf die Ventilplatte ordnungsgemäß angeordnet wird. An dem ande­ ren Ende erstreckt sich eine Spitze 127 nach unten in die Öffnung 99 in der Nähe der Stützfläche 94. Um den Ventilan­ schlag 118 weiter in seiner Lage zu halten, paßt ein starker Federbügel 130 über den Ventilanschlag mit einem bogenförmi­ gen, zentralen Abschnitt 131. An einem Ende 132 liegt der Bü­ gel gegen die obere Fläche des Ventilanschlags 118 und be­ sitzt eine Spitze 134, die sich in die Öffnung 101 erstreckt. Das andere Ende des Bügels 130 besitzt ein ähnlich geformtes Ende 133, das die obere Fläche des Ventilanschlags 118 am En­ de 122 berührt, und weist wiederum eine Spitze 135 auf, die sich in die Öffnung 99 erstreckt. Der Auslaßzylinderkopf 137 wird in seiner Lage durch Bolzen gehalten, die sich durch den Zylinderkopf, die Ventilplatte und in den Zylinderblock er­ strecken und ist mittels einer Dichtung 138 von der Ventil­ platte getrennt, um ein Entweichen der Auslaßgase in dem Aus­ laßraum 141 dichtend zu verhindern, der durch den Zylinder­ kopf 137 und die Ventilplatte 80 begrenzt ist. Der Zylinder­ kopf 137 ist mit einem vorspringenden Ansatz 139 ausgebildet, der angeordnet ist, um den zentralen Abschnitt 131 des Bügels 130 zu berühren, wenn der Zylinderkopf in seiner Lage ver­ klemmt ist, und dadurch den Bügel 130, den Ventilanschlag 118 und die Ventilfeder 111 in ihrer Lage auf der Ventilplatte verklemmt zu halten.

Obgleich die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, wird erkannt, daß von anderen Abände­ rungen und Umgruppierungen Gebrauch gemacht werden kann ohne den Umfang der Erfindung wie in den Ansprüchen definiert zu verlassen.

Claims (16)

1. Auslaßventilanordnung für einen Kältekompressor, umfas­ send eine Ventilplatte mit einer Innenfläche, die einem Kompressionsraum zugewandt ist, und einer Außenfläche, die einem Auslaßraum zugewandt ist, wobei die Ventil­ platte eine durchgehende Auslaßöffnung aufweist, die sich zwischen den Innen- und Außenflächen erstreckt, einen Ventilsitz, der die Öffnung auf der Außenfläche umgibt, wobei der Ventilsitz eine kugelförmige Fläche aufweist, einen Ventilteller mit einem Basisteil, der von dem Ventilsitz abgewandt ist und einen kugel­ förmigen Kopfteil, der dem Ventilsitz zugewandt ist, wobei der Ventilsitz und der Kopfteil den gleichen Krümmungsradius aufweisen, so daß der Kopfteil einen Oberflächenanlageabdichtkontakt mit dem Ventilsitz in der Schließstellung herstellt, wobei die kugelförmige Oberfläche des Kopfteils einen Durchmesser hat, der größer als der Durchmesser des Ventilsitzes ist, wobei sich ein Ventilanschlagelement über den Ventilteller in einem Abstand von dem Basisteil erstreckt und Feder­ mittel den Tellerbasisteil berühren, wobei der Teller gegen den Ventilsitz vorgespannt wird.

2. Auslaßventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Ventiltellerkopf über die Innen­ fläche der Ventilplatte hinaus in den Kompressorraum erstreckt, wenn der Ventilteller den Ventilsitz be­ rührt.

3. Auslaßventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teil der äußeren Fläche der Ventil­ platte, der nahe der Auslaßöffnung liegt, und des Ven­ tilsitzes ausgespart ist, um eine Dicke aufzuweisen, die geringer ist als die Dicke der restlichen Ventil­ platte.

4. Auslaßventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Federmittel eine flache Blattfeder ist und der Ventiltellerbasisteil eine flache Oberflä­ che in der Nähe der Blattfeder aufweist.

5. Auslaßventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flache Oberfläche des Basisteils außer Kontakt mit der Blattfeder beabstandet ist, wenn der Kopfteil mit dem Ventilsitz in Berührung steht.

6. Auslaßventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilteller aus einem polymeren Ma­ terial besteht.

7. Auslaßventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das polymere Material ein Polyimidharz ist.

8. Luftdichter Kältekompressor, umfassend einen Zylinder­ block mit einer Stirnfläche, eine Zylinderbohrung, die sich durch den Zylinderblock von der Stirnfläche er­ streckt und eine Achse lotrecht zu der Stirnfläche de­ finiert, eine Ventilplatte, die an der Stirnfläche be­ festigt ist und sich über die Zylinderbohrung er­ streckt, einen Kolben, der für die Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung angebracht ist, Mittel, um den Kolben in der Zylinderbohrung zu der und von der Ven­ tilplatte weg hin- und herzubewegen, eine Auslaßöff­ nung, die sich durch die Ventilplatte erstreckt und in die Zylinderbohrung mündet, einen Ventilsitz, der die Auslaßöffnung an der von dem Kolben entfernten Seite umgibt, wobei der Ventilsitz eine kugelförmige Oberflä­ che aufweist, einen Ventilteller, der einen Kopf mit einer kugelförmigen Oberfläche aufweist, die mit dem Ventilsitz in Berührung bringbar ist, Federmittel, die den Teller in Richtung auf den Ventilsitz vorspannen, wobei der Teller, wenn er mit dem Ventilsitz in Be­ rührung steht, einen zentralen Bereich aufweist, der sich durch den Ventilsitz über die Fläche der dem Kol­ ben zugewandten Ventilplatte erstreckt, wobei der Kol­ ben eine Stirnfläche aufweist, die sich in der Nähe der Ventilplatte erstreckt, wobei die Stirnfläche einen ausgesparten Bereich in Fluchtung mit der Auslaßöffnung aufweist, um den zentralen Bereich des Ventiltellers aufzunehmen.

9. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 8, der ein Ventilanschlagelement aufweist, das sich über den Ven­ tilteller erstreckt.

10. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel eine flache Blatt­ feder ist, die sich zwischen dem Teller und dem An­ schlagelement erstreckt.

11. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller einen Basisteil mit einer flachen Oberfläche in der Nähe der flachen Blattfeder aufweist.

12. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder außer Kontakt mit der flachen Fläche beabstandet ist, wenn der Teller in Ab­ dichtberührung mit dem Ventilsitz steht.

13. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Ventilplatte in der Nähe der Auslaßöffnung ausgespart ist, um die Dicke der Ventilplatte in diesem Bereich zu verringern.

14. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller aus einem polyme­ ren Material besteht.

15. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein Polyimid­ harz ist.

16. Luftdichter Kältekompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die kugelförmige Oberfläche über die gesamte Fläche des Kopfes erstreckt.