DE602004000553T2

DE602004000553T2 - Saugventil in Lamellenausführung für einen Verdichter

Info

Publication number: DE602004000553T2
Application number: DE200460000553
Authority: DE
Inventors: Scott D Schulze; Brad A Minster Schulze; Donald C Sidney Draper; Kevin J Fort Loramie Gehret
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland Corp LLC
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: ES2258754T3; KR101014257B1; CN1525069A; TW200506253A; MXPA04001516A; BRPI0400059B1; EP1452737A1; TWI311622B; US6823891B2; JP2004257376A; AU2004200754B2; KR20040076573A; EP1452737B1; AU2004200754A1; AR042535A1; DE602004000553D1; US20040163713A1; CA2452450A1; CN100353064C; BRPI0400059A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein auf Druck ansprechende Ventilanordnungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung auf Druck ansprechende Ventilanordnungen, die Saugklappenventile enthalten. Die Ventilanordnungen sind zur Verwendung bei Verdichtern mit Hubkolben, beispielsweise Kälteverdichtern, ausgelegt.
Hubkolben-Verdichter setzen für gewöhnlich eine saug- und ablassdruckbetätigte Ventilanordnung ein, die am Ende des Zylindergehäuses angebracht ist. Bei der Auslegung dieser Ventilanordnungen ist es für den Betrieb des Gesamtsystem von ausschlaggebender Bedeutung, eine ausreichend große Kanalfläche vorzusehen, um das Strömen einer maximalen Gasmenge innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums und mit einem zulässig kleinen Druckabfall zu ermöglichen. Dies gilt insbesondere für in Klimaanlagen eingesetzte Kälteverdichter aufgrund des hohen Massendurchsatzes, die bei solchen Systemen allgemein erforderlich sind.
Mit dem Wunsch, die Kanalfläche für eine vorgegebene Zylindergröße zu maximieren, geht die dazu im Widerspruch stehende Notwendigkeit der Gewichtsreduzierung des sich bewegenden Ventilelements einher. Die Gewichtsreduzierung des sich bewegenden Ventilelements führt zu einer Verringerung der Trägheitswirkung und der Verringerung des mit dem Öffnen und Schließen des Ventils einhergehenden Geräuschpegels.
Ein anderes wichtiges Konstruktionsziel ist die Minimierung der Rückexpansion oder des Totraums des Zylinders. Das Ventilsystem und die obere Endwand das Zylinderendes sollten eine Form aufweisen, die zur Form des Kolbens komplementär ist, um das Volumen der Verdichtungskammer auf ein Minimum zu senken, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt seines Hubs befindet, ohne das Strömen von Gas zu beschränken. Zwar kann man diese Aufgabe durch Konstruieren einer komplexen Kolbenbodenform verwirklichen, doch wird die Herstellung dieser komplexen Form übermäßig teuer, die Montage wird schwieriger und es treten allgemein Drosselverluste ein, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert. Dies lässt die Auslegung des Ventilsystems als einziges Mittel zum Konstruieren eines Ventilsystems mit hohem Strom, das das Rückexpansionsvolumen minimiert, übrig.
Ein typisches Saugklappenventil umfasst einen kreisförmigen Körper, der zum Abdecken eines kreisförmigen Saugkanals in einer Ventilplatte dient. Ein Paar Laschen verlaufen von dem kreisförmigen Abschnitt radial nach außen, um Mittel zum Anbringen der Saugklappe an der Ventilplatte vorzusehen. Wenn sich der Kolben in der Zylinderbohrung senkt, nimmt das Volumen des Zylinders zu, wodurch ein Unterdruck in der Bohrung erzeugt wird. Dieser Unterdruck saugt die Saugklappe nach unten, was ein Biegen oder Ablenken der Saugklappe bewirkt, so dass der Saugkanal geöffnet wird. Während sich die Saugklappe in dieser gebogenen oder abgelenkten Stellung befindet, strömt Gas in den Zylinder. Für gewöhnlich ist eine der Laschen an der Ventilplatte angenietet oder anderweitig befestigt, um eine feste Seite zu bilden, während die andere Lasche sich frei bewegen kann, wenn der Verdichter arbeitet, um eine freie Endseite zu bilden.
Die Form oder Auslegung der Klappe beeinflusst, wie stark sich die Klappe wegbiegt. Die Klappe kann so ausgelegt werden, dass sie maximale Biegsamkeit der Klappe bietet, was dann die beste Leistung erbringt, da sie mehr öffnet, um maximalen Gasstrom zu ermöglichen. Das Problem bei dieser Konstruktion mit maximaler Biegsamkeit ist, dass sie die stärkste Beanspruchung erzeugt, da allgemein eine umso stärkere Beanspruchung der Klappe auftritt, je stärker sich die Klappe bewegt. Umgekehrt kann die Klappe so ausgelegt werden, dass sie den besten Beanspruchungswiderstand liefert, dies bewirkt aber eine Abnahme der Leistung des Verdichters. US 6,164,334 offenbart ein Ventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Eine erfindungsgemäße Ausführung bietet dem Gebiet eine Klappenauslegung, die optimiert wurde, um die besten Strömeigenschaften zu liefern, während sie immer noch gute Beständigkeit gegenüber Biege- und Stoßbeanspruchungen besitzt. Die Größe des Klappenaußendurchmessers (AD), des Innendurchmessers (ID), Dicke, Halsform, Radius Hals abwärts und die Klemmlinienposition wurden so ausgelegt, dass sie eine einzigartige Klappe zu erzeugen, die niedrige Beanspruchung der Klappe bietet, während sie der Klappe genügend Biegsamkeit verleihen, um eine gute Leistung des Verdichters zu ermöglichen.
Neben den Abwägungen von Biegsamkeit und Biegebeanspruchung bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Klappe ist die einzigartige Klappenkonstruktion einer erfindungsgemäßen Ausführung ferner dafür ausgelegt, Stoßbeanspruchung zu berücksichtigen. Wenn das AD/ID-Verhältnis der Klappe zu groß ausgelegt wird (d.h. der Ringteil der Klappe zu breit ist), wird die Klappe zu steif und biegt sich nicht genügend weg, um einen angemessenen Gasstrom zu liefern. Wenn das AD/ID-Verhältnis der Klappe zu klein ausgelegt wird (d.h. der Ringteil der Klappe zu schmal ist), wird die Stoßbeanspruchung der Klappe zu hoch und die Klappe bricht. Die einzigartige Klappe der erfindungsgemäßen Ausführung ist mit einem optimalen AD/ID-Verhältnis ausgelegt, um eine Klappe zu erzeugen, die eine ausgezeichnete Leistung aufweist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehend folgenden eingehenden Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die eingehende Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte Ausführung der Erfindung benennen, aber nur der Veranschaulichung dienen sollen und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken sollen.
Die vorliegende Erfindung geht aus der eingehenden Beschreibung und den Begleitzeichnungen besser hervor. Hierbei zeigen:
1 eine teilweise Schnittansicht der Ventilanordnung, die eine einzigartig geformte Klappe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei jeder Zylinder um 90° um eine mittlere Achse gedreht gezeigt wird;
2 eine untere Draufsicht (vom Inneren der Zylinderkammer) der Ventilplatte und Klappen der in 1 gezeigten Ventilanordnung, wobei ein Zylinder die Saugklappe mit einer Strichlinie veranschaulicht; und
3 eine Draufsicht auf die in 1 und 2 gezeigte Klappe.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführung(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Nutzungsmöglichkeiten einschränken.
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen, wird in 1 und 2 eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gezeigt, die im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Ventilanordnung 10 umfasst eine Ventilplattenanordnung 12 mit einem relativ großen, unregelmäßig geformten, im Allgemeinen kreisförmigen ausgesparten Teil bzw. einer Saugkammer 14, die sich in die untere Oberfläche 16 derselben erstreckt. Eine Ablasskammer 18 stumpfkegeliger Form ist ebenfalls vorgesehen, die durch eine radial nach innen geneigte oder abgeschrägte Seitenwand 20 gebildet wird, die sich zwischen einer oberen Fläche 22 und einer unteren Fläche 16 der Ventilplattenanordnung 12 erstreckt. Eine Fläche 24 der Seitenwand 20 sieht einen Ventilsitz für ein Ablassventilelement 26 vor, das durch Gasdruck sowie eine Scheibenfeder 28, die sich zwischen dem Ventilelement 26 und einer brückenartigen Halterung 30 erstreckt, in dichtenden Eingriff damit gedrückt wird.
Das Ablassventilelement 26 ist, wie dargestellt, von einer Größe und Form im Verhältnis zur Ablasskammer 18, dass eine untere Fläche 32 desselben in eine im Wesentlichen koplanare Beziehung zu einer unteren Fläche 16 der Ventilplattenanordnung 12 gesetzt wird. Die Feder 28 ist in einer in der Halterung 30 vorgesehenen Aussparung 36 angeordnet. Das Ablassventilablasselement 26 ist im Wesentlichen ein druckbetätigtes Ventilelement, und die Feder 28 wird primär gewählt, um Stabilität zu bieten und um auch eine anfängliche schließende Vorspannung oder Vorlast zur Verwirklichung einer anfänglichen Abdichtung zu bieten. Es können natürlich neben Scheibenfedern andere Arten von Federn für diesen Zweck verwendet werden. Die Halterung 30, die auch als Anschlag dient, um die Öffnungsbewegung des Ventilelements 26 zu beschränken, ist durch ein Paar geeigneter Befestigungsmittel 38 an der Ventilplattenanordnung 12 befestigt.
Die Ventilplattenanordnung 12 ist an einem Verdichterkörper 42 unter Verwendung mehrerer Bolzen 44 befestigt, die sich durch einen Verdichterkopf 46, durch die Ventilplattenanordnung 12 erstrecken und im Verdichterkörper 42 eingeschraubt aufgenommen sind. Zwischen der Ventilplattenanordnung 12 und dem Verdichterkörper 42 ist eine Ventilplattendichtung 48 angeordnet, und eine Kopfdichtung 50 ist zwischen der Ventilplattenanordnung 12 und dem Verdichterkopf 46 angeordnet.
Die Ventilplattenanordnung 12 bildet einen ringförmigen Ventilsitz 52 aus, und die Seitenwand 20 bildet an ihrem abschließenden Ende einen ringförmigen Ventilsitz 54 aus. Zwischen dem Ventilsitz 52 und dem Ventilsitz 54 ist ein Saugeinlasskanal 56 angeordnet.
Der Ventilsitz 54 der Seitenwand 20 ist in koplanarer Beziehung zum Ventilsitz 52 der Ventilplattenanordnung 12 positioniert. Ein Saugklappenventilelement 60 in Form eines kranzförmigen Rings rückt in seiner geschlossenen Stellung dichtend mit dem Ventilsitz 54 der Seitenwand 20 und dem Ventilsitz 52 der Ventilplattenanordnung 12 ein, um ein Strömen von Gas aus einer Verdichtungskammer 62 in die Saugkammer 14 über den Einlasskanal 56 zu verhindern. In dem Saugklappenventilelement 60 ist eine mittlere Öffnung 64 vorgesehen und ist koaxial zur Ablasskammer 18 angeordnet, um eine direkte Gasstromverbindung zwischen der Verdichtungskammer 62 und der unteren Fläche 32 des Ablassventilelements 26 zu erlauben. Das Saugklappenventilelement 60 umfasst ferner ein Paar diametral gegenüberliegender, sich radial nach außen erstreckender Laschen 66 und 68. Lasche 66 dient zum Befestigen des Klappenventilelements 60 an der Ventilplattenanordnung 12 mit Hilfe eines Paars von Antriebsstiften 70, Bolzen oder Nieten, wie nachstehend eingehender beschrieben wird.
Wenn der in der Verdichtungskammer 62 angeordnete Hubkolben 72 sich von der Ventilanordnung 10 während eines Saughubs wegbewegt, bewirkt die Druckdifferenz zwischen der Verdichtungskammer 62 und der Saugkammer 14, dass sich das Saugklappenventilelement 60 bezüglich der Verdichtungskammer 62 nach innen in seine offene Stellung bewegt, wie in Strichlinien in 1 gezeigt wird, wodurch ein Gasströmen von der Saugkammer 14 in die Verdichtungskammer 62 durch einen zwischen den Ventilsitzen 52 und 54 angeordneten Einlasskanal 56 möglich wird. Da sich nur die Laschen 66 und 68 des Saugklappenventilelements 60 nach außen über die Seitenwände der Verdichtungskammer 62 hinaus erstrecken, strömt der Sauggasstrom problemlos in die Verdichtungskammer 62 im Wesentlichen um den gesamten Innen- und Außenfang des Saugklappenventilelements 60. Wenn ein Verdichtungshub des Kolbens 72 einsetzt, wird das Saugklappenventilelement 60 in dichtenden Eingriff mit Ventilsitz 54 und Ventilsitz 52 gedrückt. Das Ablassventilelement 26 beginnt aufgrund des Drucks in der Verdichtungskammer 62, der den Druck in der Ablasskammer 18 übersteigt, und aufgrund der von der Feder 28 ausgeübten Kraft, sich zu öffnen. Das verdichtete Gas wird durch die mittlere Öffnung 64, an dem Ablassventilelement 26 vorbei und in die Ablasskammer 18 gedrückt. Die konzentrische Anordnung der Ventilplattenanordnung 12 und das Klappenventilelement 60 ermöglichen es im Wesentlichen, dass die über der Verdichtungskammer 62 liegende gesamte verfügbare Fläche für Saug- und Ablassventilanordnung und -kanalanordnung genutzt werden kann, wodurch ein maximaler Gasstrom sowohl in die als auch aus der Verdichtungskammer 62 ermöglicht wird.
Die ständige Hubbewegung des Kolbens 72 in der Verdichtungskammer 62 veranlasst das Saugklappenventilelement 60, sich ständig zwischen seiner offenen und geschlossenen Stellung zu bewegen. Dadurch ist ständiges Biegen oder Federn der Laschen 66 und 68 gegeben. Der Verdichterkörper 42 weist an der Außenkante der Verdichtungskammer 62 einen abgewinkelten oder gebogenen Teil 74 auf, um für die Lasche 68 des Saugklappenventilelements 60 eine geeignete Fläche zu bieten, gegen die sie sich biegen kann, wodurch die in der Lasche erzeugten Biegebeanspruchungen erheblich verringert werden. Die Ventilplattenanordnung 12 umfasst ferner eine geformte Aussparung 76, die die Aufwärtsbewegung der Lasche 68 während des Wegbiegens des Klappenventilelements 60 zulässt.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein einzigartig geformtes Klappenventilelement 60 gerichtet, das sowohl die Leistung als auch die Haltbarkeit des Klappenventilelements 60 optimiert.
Das Klappenventilelement 60 umfasst einen mittleren ringförmigen Körper 82, der einen Klappeninnendurchmesser 64 und einen Klappenaußendurchmesser 86 festlegt. Der Mittelpunkt des mittleren ringförmigen Körpers 82 bildet den Mittelpunkt 60A des Klappenventilelements 60. Die feste Lasche 66 erstreckt sich von dem ringförmigen Körper 82 radial nach außen, und die feste Lasche 66 bildet ein Paar Löcher 90 zum Befestigen des Klappenventilelements 60 an der Ventilplattenanordnung 12 mit Hilfe des Paars von Antriebsstiften, Bolzen oder Nieten 70 oder anderer vorbekannter Befestigungsmittel. Die Fläche zwischen der festen Lasche 66 und dem ringförmigen Körper 82 bildet einen nach unten verengten Bereich 94, dessen Abmessung für das Ausgleichen der Beanspruchungswerte des Klappenventilelements 60 optimiert ist, ohne die Verdrängung des Klappenventilelements 60 während des Betriebs des Verdichters zu beeinträchtigen. Wie in 3 gezeigt wird, ist eine Klemmlinie 96 eigens bezüglich der Mitte des Klappenventilelements 60 angeordnet. Die Klemmlinie ist eine Linie, die an einer Kante der Ventilplattendichtung 48 anliegt und dadurch die Kante festlegt, an der sich das Klappenventilelement biegt, wenn es während des Betriebs des Verdichters federt.
Gegenüber der festen Lasche 66 ist eine bewegliche Lasche 68 angeordnet. Die bewegliche Lasche 68 ist eine im Allgemeinen rechteckige Lasche, die sich von dem ringförmigen Körper 82 radial nach außen erstreckt. Wenn sich das Saugklappenventilelement 60 zwischen seiner offenen und geschlossenen Stellung bewegt, gleitet die bewegliche Lasche 68 entlang des gebogenen Teils 74 an der Außenkante der Verdichtungskammer 62, um ein Webbiegen und damit das Öffnen des Klappenventilelements 60 zu ermöglichen. Die feste Lasche 66 gleitet bzw. biegt sich nicht entlang der Kante der Verdichterkammer 62, sondern biegt sich um die Dichtungsklemmlinie 96 aufgrund der Befestigung der festen Lasche 66 an der Ventilplattenanordnung 12 durch Antriebsstifte, Bolzen oder Nieten 70. Dadurch biegt sich die feste Lasche 66 entlang der Dichtungsklemmlinie 96 bzw. biegt sich dort weg, wobei der nach unten verengte Bereich 94 für das Ausgleichen der Beanspruchungswerte des Klappenventilelements 60 bemessen ist, ohne die Verdrängung des Klappenventilelements 60 während des Betriebs des Verdichters zu beeinträchtigen.
In der bevorzugten Ausführung hat das Klappenventilelement 60 die folgenden Maße:

• Mitte des Klappenventilelements 60 zur Klemmlinie 96 = 4,5 cm (1,771 Zoll)
• Breite des nach unten verjüngten Bereichs 94 = 1,55 cm (0,610 Zoll)
• Position des Halses 94 von der Mitte 60A des Klappenventilelements 60 = 3,25 cm (1,279 Zoll)
• AD der Klappe = 6,22 cm (2,449 Zoll)
• ID der Klappe = 4,135 cm (1,628 Zoll)
• Materialstärke der Klappe = 0,056 cm (0,022 Zoll)
• Kantenradius = 0,019 cm (0,0075 Zoll)
• Radius Hals abwärts = 0,318 cm (0,125 Zoll)
• Abstand von Klemmlinie zu Radius Hals abwärts = 0,213 cm (0,084 Zoll)

Die obige näher erläuterte bevorzugte Ausführung des Klappenventilelements 60 ist für eine Ventilplatte ausgelegt, die für einen Saugeinlasskanal 56 einen AD von 5,95 cm (2,342 Zoll) und einen ID von 4,435 cm (1,746 Zoll) aufweist. Dies bietet ein Überlappen von 0,136 cm (0,0535 Zoll) für den AD und von 0,15 cm (0,059 Zoll) für den ID.
Das oben beschriebene Klappenventilelement 60 der Ventilplattenanordnung 12 bietet mindestens vier Vorteile. Zum einen ist es so ausgelegt, dass es geringe Biegebeanspruchungen in der Klemmlinie 96, dem nach unten verjüngten Bereich 94 und an den Mittelbereichpositionen hat. Zweitens ist es so ausgelegt, dass es eine geringe Stoßbeanspruchung aufweist. Drittens ist es biegsam genug ausgelegt, um ein gutes Gasströmen zur Verbesserung der Leistung zu bieten. Schließlich ist die Konstruktion des Klappenventilelements 60 solcher Art, dass es so optimiert ist, um alle diese positiven Eigenschaften aufzuweisen, so dass es gute Biegsamkeit besitzt, dabei aber auch eine gute Beanspruchbarkeit aufweist.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sollen Abänderungen, die nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abweichen, in den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

Auf Druck ansprechende Ventilanordnung (10) für eine von einem Zylindergehäuse ausgebildete Verdichtungskammer (62), wobei die Ventilanordnung (10) umfasst: – eine eine Ablasskammer (18) und eine Saugkammer (14) ausbildende Ventilplatte (12); – ein auf Druck ansprechendes Ablassventilelement (26), das bei Betrieb zwischen der Ablasskammer (18) und der Verdichtungskammer (62) angeordnet ist; – ein auf Druck ansprechendes Saugventilelement (26), das bei Betrieb zwischen der Saugkammer (14) und der Verdichtungskammer (62) angeordnet ist; wobei das auf Druck ansprechende Saugventilelement (60) umfasst: – einen mittleren ringförmigen Körper (82); – eine sich von dem mittleren ringförmigen Körper (82) radial nach außen erstreckende feste Lasche (66), die an der Ventilplatte (12) befestigt ist; und gekennzeichnet durch: – einen zwischen der festen Lasche (66) und dem mittleren ringförmigen Körper (82) angeordneten nach verengten Bereich (94), wobei der verengte Bereich (94) eine Breite aufweist, die kleiner als eine entsprechende Breite der festen Lasche (66) ist.
Auf Druck ansprechende Ventilanordnung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine sich von dem mittleren ringförmigen Körper (82) radial nach außen erstreckende bewegliche Lasche (68) umfasst.
Auf Druck ansprechende Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Lasche (68) im Allgemeinen rechteckig ist.
Auf Druck ansprechende Ventilanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Lasche (68) radial gegenüber der festen Lasche (66) angeordnet ist.
Auf Druck ansprechende Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Bereich (94) benachbart zum mittleren ringförmigen Körper (82) ist.
Auf Druck ansprechende Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Lasche (66) eine hin zu dem verengten Bereich (94) angeordnete Klemmlinie (96) bildet.
Auf Druck ansprechende Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere ringförmige Körper (82) einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist und dass das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser in dem Bereich von 0,75 bis 3 liegt.
Auf Druck ansprechendes Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 1,5 beträgt.
Auf Druck ansprechendes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Lasche (66) einen Schnitt konstanter Breite hat, der eine Klemmlinie (96) bildet.