EP0749531B1

EP0749531B1 - Verdichterventil

Info

Publication number: EP0749531B1
Application number: EP95916496A
Authority: EP
Inventors: Leopold Böswirth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-27
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2015-04-26
Also published as: ATE164426T1; DE59501718D1; AU2297995A; EP0749531A1; WO1995029338A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit den Merkmalen des einleitenden Teils von Anspruch 1.

Ein derartiges Ventil ist aus H.J. Kleinert "Taschenbuch Maschinenbau", Band 5, Seite 242, Bild 1.210. (VEB Verlag Technik Berlin, 1989) bekannt. Bei dem bekannten Ventil für Hubkolbenverdichter, und zwar sowohl bei dem Ventil, bei dem eine im wesentlichen starre Ventilplatte verwendet wird, als auch bei Ventilen der Bauart mit federelastisch verformbaren Ventillamellen, sind Hubfänger, die mit dem Ventil starr verbunden sind, vorgesehen, die den Hub der Ventilplatte oder der Ventillamellen von der Ventilsitzplatte weg begrenzen.

Nachteilig bei diesen bekannten Ventilen für Hubkolbenverdichter ist es, daß die Ventilplatte oder Ventillamelle die Lebensdauer der Ventile verkleinernde Schlagwirkungen unterliegen. Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, bei Ringplattenventilen zwischen der Ventilplatte und dem Hubfänger Dämpferplatten anzuordnen, um die Schlagwirkungen zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil, das als Saug- und als Druckventil für Hubkolbenverdichter verwendet werden kann, weiter zur entwickeln, so daß der Maximalhub der Ventilplatte oder der Ventillamelle auch ohne Hubfänger wirksam begrenzt wird und daß gefährliche Flatterschwingungen der Ventilplatte oder der Ventillamelle vor dem Sitzaufschlag gedämpft werden.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 erreicht.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil wird der Hub der Ventilplatte oder der Ventillamelle nicht mehr durch einen Hubfänger, sondern ausschließlich durch die der Ventilplatte zugeordnete (wenigstens eine) Feder oder die Federeigenschaften der Ventillamelle selbst begrenzt.

Durch die in den Kanälen enthaltene Gasmasse ändern sich die Strömungsgeschwindigkeiten gegenüber den Druckdifferenzen nur stark verzögert, was eine wirksame Dämpfung von Flatterschwingungen zur Folge hat.

Stark dämpfend auf die Flatterschwingungen wirkt des weiteren eine bei der Erfindung mögliche Reduktion der Masse der Ventilplatte, so daß die für die wirksame Dämpfung erforderliche Länge des Kanals klein gewählt werden kann.

Die genaue Dimensionierung der Länge der Kanäle, der Masse der Ventilplatte oder der Ventillamelle und der Federkraft, die auf diese einwirkt, kann beispielsweise mit Hilfe von Computerprogrammen, welche die Ventilplattenbewegung simulieren und mit Hilfe von Kontrollversuchen erfolgen.

Bei Verwendung erfindungsgemäß ausgeführter Ventile lassen sich kompaktere, schneller laufende Kolbenverdichter mit geringeren ventilbedingten Verlusten und mit längerer Ventillebensdauer verwirklichen.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ventils sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen von Ventilen gemäß der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt: Fig. 1 ein Saugventil für einen Kolbenverdichter im Axialschnitt,

Fig. 2 eine Einzelheit des Ventils aus Fig. 1 in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3 eine Einzelheit eines Saugventils mit Ventillamelle,

Fig. 4 eine Einzelheit eines Druckventils mit Ventillamelle,

Fig. 5 in einer gemeinsamen Darstellung zwei Ausführungsformen eines Saugventils mit Ventilplatte,

Fig. 6 ein Druckventil mit Ventilplatte,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines Druckventils mit Ventilplatte und

die Fig. 8 und 9 je drei Diagramme für die Ventilplattenbewegungen von Saugventilen.

Fig. 1 zeigt im Axialschnitt ein Ringplattenventil, das als Saugventil ausgeführt ist. Eine Ventilplatte 1 dichtet durch Auflage auf der stromabwärts liegenden Fläche auf einem Ventilsitz 2 den Zylinderraum (in Fig. 1 unterhalb des Ventils) gegen die Ventilkammer ab. Sowohl die Ventilplatte 1 als auch der Ventilsitz 2 sind festigkeitsmäßig entsprechend der abzudichtenden Druckdifferenz ausgelegt. An einer Mittelschraube 6 des Ventils ist ein Federträger 3 befestigt, in dem sich mehrere Druckschraubenfedern 8 abstützen, welche die Ventilplatte 1 gegen den Ventilsitz 2 drücken. Der Abstand des Federträgers 3 vom Ventilsitz 2 ist so gewählt, daß die Ventilplatte 1 auch in ihrer offenen Stellung an dem Federträger 3 nicht anschlägt, so daß ihr Hub ausschließlich durch die Kraft der Federn 8 begrenzt wird. In einer praktischen Ausführungsform des Ventils gemäß Fig. 1 kann dieser Abstand beispielsweise 6 mm betragen.

Auf der der Ventilplatte 1 abgekehrten Seite ist auf den Ventilsitz 2 ein Bauteil 4 aufgesetzt, in dem mit jeder der Durchtrittsöffnungen 9 im Ventilsitz 2 fluchtende Kanäle 10 vorgesehen sind. Der Bauteil 4 ist mit Hilfe einer Spannhülse 5 und einer Mutter an der Mittelschraube 6 des Ventils befestigt.

Der Bauteil 4 und damit die in ihm vorgesehenen Kanäle 10 sind in einer praktischen Ausführungsform einige Zentimeter lang. An dem Bauteil 4 werden festigkeitsmäßig keine besonderen Anforderungen gestellt und er kann als Kunststoff- oder Metallpreßteil oder auch als Blechteil ausgeführt sein. Der Bauteil 4 kann auch, wie in Fig. 2 gezeigt, aus einzelnen Ringelementen 7 oder rohrförmigen Hohlzylinderelementen und gegebenenfalls auch aus mehreren übereinandergesetzten Teilen zusammengesetzt sein.

Das Ventil gemäß Fig. 1 weist etwa die dreifache Gasträgheitswirkung auf, wie ohne den Bauteil 4.

Zwei parallel geschaltete Saugventile gemäß Fig. 1 mit einem Einbaudurchmesser von 100 mm liegen den in den Diagrammen 3 bis 6 der Fig. 8 und 9 dargestellten Simulationsergebnissen zu Grunde.

Die Fig. 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungen für Lamellenventile, wobei die Lamelle 11 die Funktion von Ventilplatte 1 und Ventilfeder 8 übernimmt. Ein Federträger ist bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Lamellenventils nicht erforderlich. In Fig. 3 ist ein Saugventil und in Fig. 4 ein Druckventil dargestellt. Bei letzterem ergibt der Bauteil 4 mit dem Kanal 10 zwar zusätzlichen Schadraum, der aber durch Kanaleinzug, der auch die Gasträgheitswirkung erhöht und damit die erforderliche Länge des Kanals 10 verringert, gering gehalten werden kann.

Die Federkonstanten der Federn 8 eines erfindungsgemäßen Ventils ohne Hubfänger brauchen im allgemeinen nicht erheblich größer sein als bei einem konventionellen Ventil mit Hubfänger. Wegen der größeren Federwege bei der freien Bewegung der Ventilplatte 1 im Hubfeld ergeben sich dadurch meist Federn mit größeren Abmessungen. In vielen Fällen ergeben sich Baugrößen, die mit den in Automotoren verwendeten Ventilfedern vergleichbar sind. An Stelle mehrerer die Ventilplatte 1 belastenden Federn 8 kann, wie dies später noch an Ausführungsbeispielen erläutert werden wird, auch eine zur Ventilplatte 1 konzentrische Einzelfeder 12 vorgesehen sein.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es nachteilig sein, die die Ventilplatte 1 belastenden Federn 8 in einem gesonderten Federträger 3 abzustützen. Im Hinblick auf eine gute Platzausnützung hinsichtlich Schadraum bei Saugventilen und im Hinblick auf eine kompakte Zylinderkonstruktion kann beim erfindungsgemäßen Ventil vorgesehen sein, daß sich die Feder oder die Federn an Bauteilen, welche die Ventilplatte 1 umgeben, abgestützt sind. Beispielsweise können die Federn oder die Feder an Vertiefungen in den Saugventileinbautaschenwänden oder an konsolenartigen Vorsprüngen der Druckventilniederhaltelaterne abgestützt sein.

Fig. 5 zeigt in zwei Ausführungsformen beispielhaft die Federabstützung bei einem erfindungsgemäßen Saugventil. In Fig. 5 links ist die Abstützung einer konzentrischen Einzelfeder 12 in einer im Boden der Ventileinbautsche eingestochenen Nut 13 dargestellt. Ein eigener Federträger 3 ist bei dieser Ausführungsform nicht mehr erforderlich. Durch Unterlageplättchen 14 kann der Federvorspannweg justiert werden.

Als alternative Ausführungsform kann ein eigener Federträger 15, der in Fig. 5 strichliert eingezeichnet ist, in die Ventileinbautasche eingelegt werden.

In Fig. 5 ist noch gezeigt, daß ein Anschlag für die Ventilplatte 1 für die Fälle eines Federbruches oder sonstiger Notbetriebszustände durch einen vorstehenden Kopf 16 an der Mittelschraube 6 vorgesehen sein kann.

In Fig. 5 rechts ist eine Befederung der Ventilplatte 1 bestehend aus drei am Ventilplattenumfang um 120° versetzt angeordneten Federn 8 dargestellt. Die Federn 8 stützen sich auf einen in den Boden der Ventileinbautasche gesetzten Federträger 17 ab, der mit Schrauben 18 fixiert ist. Auch hier können Beilagescheiben 14 vorgesehen sein, um den Federvorspannweg zu justieren.

Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei Ausführungsformen für erfindungsgemäß ausgebildete Druckventile für Hubkolbenverdichter.

Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform besitzt drei um 120° zueinander versetzt angeordnete Federn 8, die sich auf konsolartigen Ansätzen 21 einer Niederhaltelaterne 20 abstützen.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist eine zur Ventilplatte 1 konzentrische Druckschraubenfeder 12 vorgesehen. Die Feder 12 stützt sich auf einem abgedrehten vorspringenden Bord 22 der Niederhaltelaterne 20 ab. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Druckventil hat die Anordung des Bauteile 4 mit den Kanälen 10 zwar einen erhöhten Schadraum zur Folge. Diese Erhöhung kann aber klein gehalten werden, indem eine besonders leichte Ventilplatte 1 verwendet wird, welche die erforderliche Länge der Kanäle 10, um dämpfend wirksam zu sein, verkleinert. Eine Verringerung des Schadraumes in der Ventileinbautasche kann auch dadurch erzielt werden, daß die Kanäle zuströmseitig etwas zur Ventilachse hin gezogen ausgeführt werden.

In Fig. 8 sind drei Diagramme über die Ventilplattenbewegung von Saugventilen, die mit Hilfe eines Computersimulationsprogrammes berechnet worden sind, wiedergegeben. Den Diagrammen liegen Daten eines Industriegasverdichters mit folgenden Hauptdaten zu Grunde.

Hub/Kolbendurchmesser/Drehzahl:	0,18m/0,18m/500min^-1
Saugdruck/Gasdichte/Druckverhältnis	50 bar/45,2 kg/m³/2,5
mittlere Kolbengeschwindigkeit	3,0 m/sec
Zwei Saugventile mit je 0,97 m Sitzkantenlänge und Durchflußbeiwert 0,50.

Das Diagramm 1 von Fig. 8 gibt die berechnete Bewegung der Ventilplatte eines konventionellen Ventils wieder, wobei der Ventilplattenhub durch einen Hubfänger auf 1,2 mm begrenzt angenommen wurde. Die Berechnung ergibt eine Geschwindigkeit des Aufschlages der Ventilplatte auf den Hubfänger von 2,6 m/sec und eine Sitzaufschlaggeschwindigkeit von 0,4 m/sec wieder, wobei die ventilbedingte Verlustarbeit 3,64 % der isentropen Verdichtungsarbeit beträgt.

Dem Diagramm 2 von Fig. 8 liegen identische Daten wie Diagramm 1 zu Grunde, wobei jedoch der Hubfänger unwirksam angenommen worden ist. Die Ventilplatte flattert heftig und erreicht Hübe bis etwa 5 mm, wobei 12 Sitzaufschläge mit Aufschlaggeschwindigkeiten bis 3,7 m/sec auftreten.

Diagramm 3 von Fig. 8 zeigt die berechnete Bewegungskurve der Ventilplatte 1 eines erfindungsgemäßen Ventils (Ventil nach Fig. 1). Die Ventilplatte 1 bewegt sich frei im Hubfeld, wobei wegen der erfindungsgemäßen Konstruktion des Ventils Flatterschwingungen stark ausgedämpft werden und die Ventilplatte 1 nur mit einer Geschwindigkeit von 0,11 m/sec auf den Ventilsitz 2 aufsetzt. Die ventilbedingte Verlustarbeit beträgt nur 2,29 % der isentropen Verdichtungsarbeit.

Gegenüber Diagramm 1 und 2 wurde für die Simulationsrechnung die Federkonstante von 100 000 N/m unverändert übernommen, die Ventilplattenmasse (gegenüber Diagramm 1 und 2) auf 60 % reduziert und eine Kanalverlängerung angenommen, welche die Gasträgheitswirkung auf den dreifachen Wert (gegenüber einer Ventilsitzplatte alleine) erhöht. Die in Fig. 8 gezeigten, durch Computersimulation erstellten Diagramme für die Ventilplattenbewegung im Saugventil eines Industriegasverdichters (Arbeitsdruck 50 bar, 2 Ventile gemäß in Fig. 1, parallel geschaltet) zeigen in den strichliert eingetragenen Linien die idealisierten Bewegungsabläufe einer masselos angenommenen Ventilplatte. Die durchgehenden Linien sind das Ergebnis der Lösung der Bewegungsdifferentialgleichung für ein wirklichkeitsnahes Modell einer Ventil-Verdichter-Anordnung.

Daß das erfindungsgemäß ausgeführte Ventil auch ein günstiges Drehzahlverhalten aufweist, zeigen die berechneten Ventilplattenbewegungsdiagramme von Fig. 9, denen identische Daten wie in Diagramm 3 von Fig. 8 zu Grunde liegen. Lediglich die Drehzahlen wurden geändert.

Drehzahl, mittlere Kolbengeschwindigkeit, Sitzaufschlaggeschwindigkeit und ventilbedingte Verlustarbeit in % der isentropen Verdichtungsarbeit errechnen sich wie folgt.

Drehzahl	mittlere Kolbengeschwindigkeit	Sitzaufschlaggeschwindigkeit	ventilbedingte Verlustarbeit in % der isentropen Verdichtungsarbeit
Diagramm 4	375/min	2,25 m/sec	0,062 m/sec	2,02 %
Diagramm 5	750/min	4,5 m/sec	0,248 m/sec	2,79 %.
Diagramm 6	1000/min	6,0 m/sec	0,44 m/sec	3,24 %.

Auch bei der hohen, mittleren Kolbengeschwindigkeit von 6 m/sec ergeben sich sehr günstige Werte für die Aufschlaggeschwindigkeit der Ventilplatte 1 und für die ventilbedingte Verlustarbeit.

Dimensionierungsversuche mit einem Computersimulationsprogramm für das erfindungsgemäße Ventil ergaben folgendes:

1. Für Mittel- und Hochdruckventile ergeben sich Längen der Kanäle 10 im Ausmaß von einigen Zentimetern, etwa mit den in den Fig. 1-7 dargestellten Proportionen. Für ein Ventil mit einem Einbaudurchmesser von 100 mm und einer 2 mm dicken Ventilplatte 1 aus Stahl ergibt sich eine etwa 5 cm lange Kanalverlängerung durch den Bauteil 4. Ersetzt man die Ventilplatte aus 2 mm Stahl durch eine 3 mm dicke Kunststoffplatte, die etwa nur 1/3 der Masse der Stahlplatte hat, so genügt eine Kanalverlängerung durch den Bauteil 4 um einen Zentimeter.

2. Je niedriger die Schallgeschwindigkeit des zu verdichtenden Gases (Arbeitsgas) ist, desto geringer sind die erforderlichen Längen der Kanäle 10 im Bauteil 4.

3. Bei Niederdruckventilen in Ringplattenausführung mit ihren gemessen an der Gasdichte relativ schweren Ventilplatten, ergeben sich zwar im allgemeinen lange Kanäle 10 im Bauteil 4. Durch Inkaufnahme etwas höherer ventilbedingter Verlustarbeiten, d.h. Anwendung einer stärkeren Befederung (Federn 8 oder 12) kann auch hier die Länge der Kanäle 10 auf einige Zentimeter, jedenfalls auf Werte unter 10 cm herabgesenkt werden. Günstige Voraussetzungen bei Ventilen für Niederdruckverdichter bieten besonders leichte Ventilplatten oder Lamellenventile oder niedrige Schallgeschwindigkeiten bei den zu verdichtenden Gasen, beispielsweise Kältemitteldämpfen.

Zusammenfassend kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt dargestellt werden:

Ein ohne Fänger für die Ventilplatte 1 ausgebildetes Ventil für Hubkolbenverdichter besitzt auf der an der Ventilplatte 1 gegenüberliegenden Seite der Ventilsitzplatte 2 einen Bauteil 4 mit mehreren Kanälen 10, von welchen je einer mit einer Durchströmöffnung 9 in der Ventilsitzplatte 2 fluchtet. Durch das hohe Geschwindigkeitsniveau in den vergleichsweise engen Kanälen 10 in dem Bauteil 4 werden Flatterbewegungen der Ventilplatte 1 und die Geschwindigkeit, mit der diese auf der Ventilsitzplatte 2 aufschlägt, verringert. Bei dem Ventil wird der Hub der Ventilplatte 1 ausschließlich durch ihre Befederung begrenzt.

Claims

Ventil als Saug- oder Druckventil für Kolbenverdichter mit einer Ventilsitzplatte (2), in der Durchtrittsöffnungen (9) angeordnet sind, und mit einer gegenüber der Ventilsitzplatte (2) beweglichen, federbelasteten Ventilplatte (1) oder Ventillamelle (11), die auf der stromabwärts liegenden Seite der Ventilsitzplatte (2) angeordnet ist, wobei die Ventilplatte (1) oder die Ventillamelle (11) im strömungslosen Zustand die Durchtrittsöffnungen (9) verschließt und unter der Wirkung des durch das Ventil strömenden Mediums von der Ventilsitzplatte (2) abgehoben wird, wobei stromaufwärts der Ventilsitzplatte (2) im Anschluß an die Durchtrittsöffnungen (9) in der Ventilsitzplatte (2) ein Bauteil (4) mit Kanälen (10) vorgesehen ist, die mit den Durchtrittsöffnungen (9) in der Ventilsitzplatte (2) fluchten, und wobei das Verhältnis der Länge jedes Kanals (10) zum hydraulischen Durchmesser des Strömungsquerschnittes des Kanals (10) zwischen 1 und 10 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Ventilplatte (1) oder der Ventillamelle (11) von der Ventilsitzplatte (2) weg ausschließlich durch die auf die Ventilplatte (1) einwirkende Federkraft oder die Elastizität der Ventillamelle (11) begrenzt ist, und daß die Querschnittsflächen der Kanäle (10) im wesentlichen gleich groß wie die Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen (9) sind.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitzplatte (2) und der die Kanäle (10) aufweisende Bauteil (4) einstückig ausgebildet sind.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10) in einem von der Ventilsitzplatte (2) gesonderten Bauteil (4) vorgesehen sind.
Ventil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kanäle (10) aufweisende Bauteil (4) aus mehreren übereinandergesetzten Teilen (7) besteht.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kanäle (10) aufweisende Bauteil aus rohrförmigen Hohlzylinderelementen aufgebaut ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kanäle (10) aufweisende Bauteil (4) als Kunststoff- oder Metallpreßteil oder als Blechteil ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ventilplatte (1) im Bereich ihres Umfanges wenigstens eine Feder (8, 12) angreift.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Achse des Ventils konzentrische Schraubendruckfeder (12) vorgesehen ist.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (12) bei einem Saugventil am Boden einer Nut (14) in der Ventileinbautasche abgestützt ist (Fig. 5, links).
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (12) bei einem Druckventil an einem radial vorspringenden Bord (22) einer Niederhaltelaterne (20) abgestützt ist (Fig. 7).
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere um die Achse des Ventils herum angeordnete Schraubendruckfedern (8) vorgesehen sind.
Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (8) bei einem Saugventil auf einen am Boden der Ventileinbautasche befestigten Federträger (17) abgestützt sind (Fig. 5, rechts).
Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (8) bei einem Druckventil an seitlichen konsolenartigen Ansätzen (21) einer Niederhaltelaterne (20) abgestützt sind (Fig. 6).
Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (8) an einem Federträger (3) abgestützt sind, der mit der Ventilsitzplatte (2) wenigstens unmittelbar starr verbunden ist (Fig. 1).