EP1180214A1 - Axialkolben-kältemittelverdichter - Google Patents
Axialkolben-kältemittelverdichterInfo
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- EP1180214A1 EP1180214A1 EP00929315A EP00929315A EP1180214A1 EP 1180214 A1 EP1180214 A1 EP 1180214A1 EP 00929315 A EP00929315 A EP 00929315A EP 00929315 A EP00929315 A EP 00929315A EP 1180214 A1 EP1180214 A1 EP 1180214A1
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- EP
- European Patent Office
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- piston
- outlet opening
- projection
- sectional area
- cross
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
- F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
Definitions
- the invention relates to an axial piston refrigerant compressor with at least one piston-cylinder unit, the cylinder of which is closed by a valve plate which has at least one pressure valve with an outlet opening, a projection of the piston protruding into the outlet opening when the piston is nearby its top dead center.
- an axial piston compressor is known with a recess in that part of the piston face which extends from the outlet opening of the pressure valve to the center of the piston face.
- a piston projection can be provided in the recess, which cooperates with the outlet opening.
- the piston projection should fill the outlet opening at top dead center as completely as possible in order to avoid its "harmful space", ie also to expel the gas contained therein and thereby increase the efficiency of the compressor.
- the actual (free) cross-sectional area of the outlet opening is reduced when the piston approaches its upper point, so that the flow resistance in the outlet opening increases.
- the flow conditions in the outlet opening and around the valve closure element can cause the compressed gas to form recirculation zones in part of the outlet opening.
- the piston projection can increase the problem in that the distance between the projection and the outlet opening has already decreased to a flow restriction before the projection has reached the outlet opening.
- the free cross-sectional area of the outlet opening can thus be considerably narrowed before the pressure valve opens.
- the invention has for its object to provide an axial piston refrigerant compressor of the type mentioned, which has an even higher efficiency.
- this object is achieved in that the outlet opening, the piston projection, the inside of the valve plate and the end face of the piston limit a flow channel with a continuous course of its axial cut edges over at least most of its circumference that the free cross-sectional area of the flow channel is so long through the smallest Cross-sectional area of the outlet opening is determined until the piston has reached a position during its pressure stroke which is below the top dead center by at least the height of the outlet opening, that during the further pressure stroke of the piston the relative decrease in the free cross-sectional area of the flow channel is less than the relative decrease of the volume of the pressure chamber and that at least 45% of the volume of the outlet opening in top dead center of the piston are filled by the projection.
- the cross-sectional area of the outlet opening decreases towards the outside of the valve plate, that the cross-sectional area of the projection decreases towards its free end and that the cross-sectional areas of the outlet opening and of the projection change in the axial direction in such a way that the free cross-sectional area changes of the flow channel changes relatively less during piston movement than the volume remaining in the cylinder. It is thereby achieved that the flow resistance of the flow channel remains at a low value, while the flow or mass flow decreases during the pressure stroke of the piston.
- the flow resistance of the flow channel can be determined by the smallest cross-sectional area of the outlet opening until the free end of the piston projection is aligned with the inside of the valve plate. This ensures an optimal gas outflow while the mass flow through the outlet opening is greatest.
- the flow resistance of the flow channel through the smallest cross-sectional area of the outlet opening must be determined until 50% of the height of the piston projection has penetrated into the outlet opening. This achieves an optimal gas outlet until the piston speed is significantly reduced and the gas flow has decreased.
- An advantageous embodiment consists in that an axial section through the outlet opening of the valve plate and the piston projection has curved cutting edges.
- the cutting edge of the outlet opening can be steeper than that of the projection.
- the compressor according to the invention can be designed such that the transitions between the valve plate surface and the outlet opening and the transition between the piston end face and the projection are continuous, the transition between the outlet opening and valve seat and the transition between the projection and the piston end face being rounded .
- the gas discharge during the emptying of the cylinder can take place with almost no eddy formation, the flow resistance being reduced.
- the outlet opening can be asymmetrical. This is advantageous if the outlet opening is offset from the center of the cylinder.
- the outlet opening can be made symmetrical. This is advantageous if the outlet opening is close to the center of the cylinder.
- the piston projection can also be designed asymmetrically. As a result, the projection can be adapted to an asymmetrical outlet opening. If the piston projection is symmetrical, it can be adapted to a symmetrical outlet opening.
- FIG. 2 shows an axial section corresponding to FIG. 1 of a further known axial piston refrigerant compressor with an end projection of the piston
- Fig. 3 is an axial section corresponding to Fig. 1 of a piston-cylinder unit of a first
- FIG. 4 shows an axial section through a piston-cylinder unit of an embodiment of a refrigerant compressor according to the invention, somewhat modified compared to the embodiment according to FIG. 3, 5 likewise shows an axial section, corresponding to the previous figures, of part of a piston-cylinder unit of a third exemplary embodiment of a refrigerant compressor according to the invention,
- FIG. 6 likewise shows an axial section, corresponding to the previous figures, of part of a piston-cylinder unit of a fourth exemplary embodiment of a refrigerant compressor according to the invention.
- 7 shows an axial section corresponding to FIG. 4 of a piston-cylinder unit to illustrate the determination of the free cross-sectional area of the flow channel.
- FIG. 8 shows an axial section corresponding to FIG. 3 of a piston-cylinder unit with two different piston positions.
- a piston 1 is guided in a cylinder, not shown, which is closed by a valve plate 2.
- the valve plate 2 is provided with a schematically represented pressure valve 3, which has a circular cylindrical outlet opening 4 in the valve plate 2 with a valve seat 5 formed on the outside of the valve plate 2 and a valve closure element 6 in the form of a plate.
- the valve closure element 6 is lifted under the internal pressure of the cylinder against the force of a spring, not shown, from the valve seat 5 to open the pressure valve 3, or is designed as a leaf spring clamped on one side on the valve plate 2.
- the volume of the outlet opening 4 acts as a "harmful space", which further reduces the efficiency of the compressor.
- the known refrigerant compressor according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 only in that the end face 8 of the piston 1 is provided with an approximately frustoconical projection 9 which partially fills the outlet opening 4.
- the projection 9 can already restrict the flow before the projection 9 enters the outlet opening 4 and before the pressure valve 3 is opened.
- the pressure valve 3 is opened, the flow velocity of the gas as it is pushed out of the cylinder by the piston 1 is greatest, so that a reduction in the cross-sectional area of the flow channel considerably reduces the efficiency of the compressor.
- the end face 8 of the piston 1 is provided with a projection 10, which partially fills the outlet opening 11 of the pressure valve 3 at the top dead center of the piston 1, as indicated by the continuous boundary line of the piston 1 is shown.
- the dashed lines represent the piston 10 in various lower positions.
- the cross-sectional area or the diameter of the outlet opening 11 changes over its entire height H, i.e. the cross-sectional area or its diameter decreases continuously and non-linearly from the inside to the outside.
- the transition from the inside 7 of the valve plate 2 to the outlet opening 11 is also rounded.
- the projection 10 of the piston 1 also has a cross-sectional area that decreases continuously over its entire height and non-linearly towards its free end. The same also applies to the cross-sectional diameter of the projection 10. However, the rate of decrease in the cross-sectional area of the projection 10 is somewhat greater than that of the outlet opening 11. At the same time, the transition between the flat end face 8 of the piston 10 and the peripheral surface of the projection 10 is continuous or rounded .
- a flow channel 12 is formed between the projection 10 and the outlet opening 11, the axial section edges of which are continuously curved in each axial section plane and the free cross-sectional area of which depends on the position of the piston 1, i.e. decreases during its pressure stroke.
- the cross-sectional area of the flow channel 12 does not change abruptly, but continuously over the length of the flow channel.
- the piston 1 While the piston 1 is moving from the lower position shown in broken lines in FIG. 3 to the top dead center, ie during its pressure stroke, it reaches the middle position shown in dashed lines. In this position the cross-sectional area of the flow channel is reduced. However, as the piston 1 approaches top dead center, its speed and thus also the mass or volume flow of the expelled gas decrease. Therefore, the cross-sectional area of the flow passage 12 can be reduced without increasing the pressure loss. At the top dead center of the piston 1, represented by the solid line, the cross-sectional area of the flow channel 12 is reduced to a minimum, but at the same time the gas flow (mass or volume flow) has decreased.
- the efficiency of the compressor is increased by reducing the pressure loss during the evacuation of the cylinder and at the same time reducing the "harmful space".
- FIG. 4 differs from that of FIG. 3 only in that the transition 13 between the valve seat 5 and the outlet opening 11 and the transition 14 between the end face of the projection 10 and its peripheral surface are continuously rounded.
- the continuous transitions 13, 14 and the continuous transitions between the inside 7 of the valve plate 2 and the outlet opening 11 and between the end face 8 of the piston 1 and the circumferential surface of the projection 10 cause less eddies to occur in the gas flow, so that the recirculation zones and the flow noise can be reduced.
- the outlet opening 15 of the pressure valve 3 is asymmetrical.
- the projection 16 of the piston 1 is also correspondingly asymmetrical. That is, the slopes of the flanks of the outlet opening 15 and the protrusion 16 are different on opposite or opposite sides, left and right in the axial sectional view.
- this exemplary embodiment corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 4.
- the outlet opening 18 and the projection 19 are also asymmetrical, so that their axial section contours largely correspond to each other, and both are even closer than in the embodiment of FIG. 5 on the wall of the cylinder 17.
- the gas flows during the pressure stroke when the pressure valve 3 is open, mainly from the left, approximately central region of the end face 8 in FIG. 6 to the outlet opening 18, the surfaces facing each other near the inside of the cylinder 17 can -li ⁇
- outlet opening 18 and the projection 19 are provided with edges 20 and 21 which merge into partially cylindrical surfaces 22 and 23, respectively.
- the arrangement of the outlet opening 18 in the immediate vicinity of the inside of the cylinder 17 enables both the outlet opening 18 and the suction opening (not shown) to be formed in the valve plate 2 with a larger diameter.
- the projection 10, 16, 19 can fill at least approximately 45% of the volume of the outlet opening 11, 15, 18.
- FIG. 7 illustrates the determination of the free cross-sectional area of the flow channel for a given position of the piston 1 using the example of the rotationally symmetrical shape of the outlet opening 11 and piston projection 12 shown in FIG. 4.
- the free cross-sectional area generally contains that for the outflowing gas standing and the smallest geometric cross-sectional area determined by the "" clear width "" of the flow channel.
- the free cross-sectional area can be determined mathematically for different courses of the axial cut edges of the outlet opening 11 and the piston projection 12.
- a series of points 24 are defined on the axial cut edges of the outlet opening 11 over the entire height of the valve plate 2.
- a plurality of points 25 are defined on the axial cut edges of the projection 12.
- d eff 2 - ⁇ ja - d
- d eff can be thought of as the diameter of a circular opening that has the same cross-sectional area as the annular gap between the inside of the outlet opening and the piston projection.
- the point 24 on the axial cut edge of the outlet opening 11 is now connected in a corresponding manner to all points 25 of the projection, and values for d eff are determined. The smallest value found corresponds to the effective diameter of the flow channel for this point 24 in question.
- the free cross-sectional area A of the flow channel 12 for a given piston position is determined from the overall smallest value d effmm of the effective one
- A d e 2 ffmm - - results.
- the respective volume V of the pressure chamber comprises the free volume in the cylinder and the volume of the dead space up to the upper end surface of the valve plate 2.
- Pressure space decreases relatively faster than the free cross-sectional area A of the passage 12, whereby an increase in flow resistance and flow noise are avoided.
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Abstract
Ein Kältemittelverdichter hat mindestens eine Kolben-Zylinder-Einheit und eine Ventilplatte (2), die mindestens eine Auslassöffnung (11) aufweist. Der Kolben (1) hat einen Vorsprung (10), der in die Auslassöffnung (11) ragt, wenn sich der Kolben (1) nahe seines oberen Totpunkts befindet. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads und Verringerung des Geräuschpegels, ist erfindungsgemäss dafür gesorgt, dass Auslassöffnung (11), Kolbenvorsprung (10), Ventilplatte (2) und Kolben (1) einen Durchflusskanal (12) begrenzen, dass die freie Querschnittsfläche des Durchflusskanals (12) durch die kleinste Querschnittsfläche der Auslassöffnung (11) bestimmt ist, bis der Kolben (1) während seines Druckhubs um mindestens die Höhe (H) der Auslassöffnung (11) unter dem oberen Totpunkt liegt, dass während des weiteren Druckhubs der Kolbens (1) die relative Abnahme der freien Querschnittsfläche des Durchflusskanals (12) geringer als die relative Abnahme des Druckraumvolumens ist und dass mindestens 45 % des Volumens der Auslassöffnung (11) im oberen Totpunkt des Kolbens (1) durch den Vorsprung ausgefüllt sind.
Description
Axialkolben-Kältemittβlverdichter
Die Erfindung betrifft einen Axialkolben-Kältemittelverdichter mit mindestens einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Zylinder durch eine Ventilplatte abgeschlossen ist, die mindestens ein Druckventil mit einer Auslaßöffnung aufweist, wobei ein Vorsprung des Kolbens in die Auslaßöffnung ragt, wenn sich der Kolben in der Nähe seines oberen Totpunkts befindet.
Aus der DE 195 15 217 AI ist ein Verdichter dieser Art bekannt, bei dem der Kolben einen asymmetrischen Vorsprung hat, der mit der Auslaßöffnung des Druckventils zusammenwirkt. Die Auslaßöffnung ist an den asymmetrischen Vorsprung des Kolbens angepaßt.
Aus der Patentanmeldung DK 898/92 ist ein Axialkolbenverdichter mit einem konischen Kolbenvorsprung bekannt, der mit einer konischen Auslaßöffnung des Druckventils zusammenwirkt.
Aus der US 5 149 254 ist ein Axialkolbenverdichter mit einer Vertiefung in dem Teil der Kolbenstirnfläche bekannt, der sich von der Auslaßöffnung des Druckventils zur Mitte der Kolbenstirnfläche erstreckt. In der Vertiefung kann ein Kolbenvorsprung vorgesehen werden, der mit der Auslaßöffnung zusammenwirkt.
Bei diesen bekannten Verdichtern soll der Kolbenvorsprung die Auslaßöffnung im oberen Totpunkt möglichst vollständig ausfüllen, um ihren "schädlichen Raum" zu vermeiden, d.h. das darin enthaltene Gas ebenfalls auszustoßen und dadurch den Wirkungsgrad des Verdichters zu steigern.
Hierbei wird die tatsächliche (freie) Querschnittsfläche der Auslaßöffnung verringert, wenn sich der Kolben seinem oberen Punkt nähert, so daß der Strömungswider- stand in der Auslaßöffnung ansteigt. Die Strömungsverhältnisse in der Auslaßöffnung und um das Ventilverschlußelement herum können bewirken, daß das Druckgas in einem Teil der Auslaßöffnung Rezirkulationszonen bildet. Der Kolbenvorsprung kann das Problem dadurch vergrößern, daß sich der Abstand zwischen Vorsprung und Auslaßöffnung schon bis zu einer Durchflußrestriktion verringert hat, bevor der Vorsprung die Auslaßöffnung erreicht hat. So kann die freie Querschnittsfläche der Auslaßöffnung schon erheblich eingeengt sein, bevor das Druckventil öffnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Axialkolben-Kältemittelverdichter der eingangs genannten Art anzugeben, der einen noch höheren Wirkungsgrad hat.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auslaßöffnung , der Kolbenvorsprung , die Innenseite der Ventilplatte und die Stirnfläche des Kolbens einen Durchflußkanal mit wenigstens über den größten Teil seines Umfangs stetigem Verlauf seiner Axialschnittkanten begrenzen, daß die freie Querschnittsfläche des Durchflußkanals so lange durch die kleinste Querschnittsfläche der Auslaßöffnung bestimmt ist, bis der Kolben während seines Druckhubs eine Position erreicht hat, die um mindestens die Höhe der Auslaßöffnung unter dem oberen Totpunkt liegt, daß während des weiteren Druckhubs des Kolbens die relative Abnahme der freien Querschnittsfläche des Durchflußkanals geringer als die relative Abnahme des Volumens des Druckraums ist und daß mindestens 45% des Volumens der Auslaßöffnung im
oberen Totpunkt des Kolbens durch den Vorsprung ausgefüllt sind.
Bei dieser Lösung ergibt sich ein Durchflußkanal mit minimalem Strömungswiderstand, geringerem Druckverlust in der Auslaßöffnung und kleinerem "schädlichem Raum". Die maximale Ausströmgeschwindigkeit des Gases wird kleiner. Gleichzeitig wird eine Geräuschminderung erreicht. Insgesamt ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad des Verdichters.
Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung zur Außenseite der Ventilplatte hin abnimmt, daß die Querschnittsfläche des Vor- sprungs zu seinem freien Ende hin abnimmt und daß die Querschnittsflächen der Auslaßöffnung und des Vorsprungs sich derartig in Axialrichtung ändern, daß sich die freie Querschnittsfläche des Durchflußkanals während der Kolbenbewegung relativ weniger ändert als das im Zylinder verbleibende Volumen. Dadurch wird erreicht, daß der Strömungswiderstand des Durchflußkanals auf einem niedrigen Wert bleibt, während der Durchfluß oder Massenstrom während des Druckhubs des Kolbens abnimmt.
Während des Druckhubs des Kolbens kann der Strömungswiderstand des Durchflußkanals durch die kleinste Querschnittsfläche der Auslaßöffnung bestimmt sein, bis das freie Ende des Kolbenvorsprungs mit der Innenseite der Ventilplatte fluchtet. Dadurch wird ein optimaler Gasabfluß sichergestellt, während der Massenstrom durch die Auslaßöffnung am größten ist.
Insbesondere kann während des Druckhubs des Kolbens der Strömungswiderstand des Durchflußkanals durch die
kleinste Querschnittsfläche der Auslaßöffnung bestimmt sein, bis 50% der Höhe des Kolbenvorsprungs in die Auslaßöffnung eingedrungen sind. Dadurch wird ein optimaler Gasaustritt erreicht, bis die Kolbengeschwindigkeit deutlich verringert ist und der Gasdurchfluß abgenommen hat.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß ein Axialschnitt durch die Auslaßöffnung der Ventilplatte und den Kolbenvorsprung gekrümmte Schnittkanten aufweist. Hierbei kann die Schnittkante der Auslaßöffnung steiler als die des Vorsprungs sein.
Insbesondere kann der erfindungsgemäße Verdichter so ausgestaltet sein, daß die Übergänge zwischen der Ventilplattenoberfläche und der Auslaßöffnung und der Ü- bergang zwischen der Kolbenstirnfläche und dem Vorsprung stetig sind, wobei der Übergang zwischen Auslaßöffnung und Ventilsitz und der Übergang zwischen Vor- sprung und Kolbenstirnfläche abgerundet sind. Dadurch kann der Gasabfluß während der Entleerung des Zylinders nahezu ohne Wirbelbildung erfolgen, wobei der Strömungswiderstand verringert wird.
Die Auslaßöffnung kann asymmetrisch ausgebildet sein. Dies ist von Vorteil, wenn die Auslaßöffnung gegenüber der Mitte des Zylinders versetzt ausgebildet ist.
Alternativ kann die Auslaßöffnung symmetrisch ausgebil- det sein. Dies ist von Vorteil, wenn die Auslaßöffnung in der Nähe der Zylindermitte liegt.
Auch der Kolbenvorsprung kann asymmetrisch ausgebildet sein. Dadurch kann der Vorsprung an eine asymmetrische Auslaßöffnung angepaßt werden.
Wenn der Kolbenvorsprung symmetrisch ausgebildet ist, kann er an eine symmetrische Auslaßöffnung angepaßt werden.
Es ist auch möglich, einen symmetrischen Kolbenvorsprung mit einer asymmetrischen Ventilöffnung, und umgekehrt, zu kombinieren.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen vergrößerten Axialschnitt durch einen Teil einer Kolben-Zylinder-Einheit eines bekannten Axialkolben-Kältemittelverdichters im Bereich eines Druckventils,
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Axialschnitt eines weiteren bekannten Axialkolben-Kälte- mittelverdichters mit einem stirnseitigen Vorsprung des Kolbens,
Fig. 3 einen der Fig. 1 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters,
Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine Kolben- Zylinder-Einheit eines gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 etwas abgewandelten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters ,
Fig. 5 ebenfalls einen den vorhergehenden Figuren entsprechenden Axialschnitt eines Teils einer Kolben-Zylinder-Einheit eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kälte- mittelverdichters,
Fig. 6 ebenfalls einen den vorhergehenden Figuren entsprechenden Axialschnitt eines Teils einer Kolben-Zylinder-Einheit eines vierten Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters. Fig. 7 einen der Fig. 4 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit zur Verdeutlichung der Bestimmung der freien Querschnitts- fläche des Durchflusskanals.
Fig. 8 einen der Fig. 3 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit mit zwei unterschiedlichen Kolbenpositionen.
Bei dem bekannten Kältemittelverdichter nach Fig. 1 ist ein Kolben 1 in einem nicht dargestellten Zylinder geführt, der durch eine Ventilplatte 2 verschlossen ist. Die Ventilplatte 2 ist mit einem schematisch dargestellten Druckventil 3 versehen, das eine kreiszylind- rische Auslaßöffnung 4 in der Ventilplatte 2 mit einem auf der Außenseite der Ventilplatte 2 ausgebildeten Ventilsitz 5 und einem VentilVerschlußelement 6 in Form einer Platte aufweist. Das Ventilverschlußelement 6 wird unter dem Innendruck des Zylinders gegen die Kraft einer nicht dargestellten Feder vom Ventilsitz 5 abgehoben, um das Druckventil 3 zu öffnen, oder ist als an der Ventilplatte 2 einseitig eingespannte Blattfeder ausgebildet.
Während des Druckhubs des Kolbens 1, d.h. wenn er sich seinem oberen Totpunkt nähert, wird zwischen der Innenseite 7 der Ventilplatte 2 und der Stirnfläche 8 des Kolbens 1 der Durchfluß am Umfang der Auslaßöffnung 4 eingeengt, d.h. die freie Querschnittsfläche eines
Durchflußkanals zur Auslaßöffnung 4 verringert und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit während des Druckhubs bei geöffnetem Druckventil 3 erhöht, so daß Rezir- kulationszonen in der Auslaßöffnung gebildet werden, die den Strömungswiderstand erhöhen und dadurch den
Wirkungsgrad des Verdichters verringern und gleichzeitig den Geräuschpegel im Betrieb des Verdichters erhöhen. Das Volumen der Auslaßöffnung 4 wirkt als "schädlicher Raum", der den Wirkungsgrad des Verdichters wei- ter verringert.
Der bekannte Kältemittelverdichter nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Stirnfläche 8 des Kolbens 1 mit einem etwa ke- gelstumpfförmgen Vorsprung 9 versehen ist, der die Auslaßöffnung 4 teilweise ausfüllt. Der Vorsprung 9 kann jedoch den Durchfluß bereits einschränken, bevor der Vorsprung 9 in die Auslaßöffnung 4 eintritt und bevor das Druckventil 3 geöffnet ist. Wenn das Druckventil 3 geöffnet ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, während es durch den Kolben 1 aus dem Zylinder gestoßen wird, am größten, so daß eine Verringerung der Querschnittsfläche des Durchflußkanals den Wirkungsgrad des Verdichters erheblich verringert.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters nach Fig. 3 ist die Stirnfläche 8 des Kolbens 1 mit einem Vorsprung 10 versehen, der die Auslaßöffnung 11 des Druckventil 3 im oberen Tot- punkt des Kolbens 1 teilweise ausfüllt, wie es durch
die durchgehende Begrenzungslinie des Kolbens 1 dargestellt ist. Die gestrichelten Linien stellen den Kolben 10 in verschiedenen tieferen Lagen dar.
Im Gegensatz zu dem bekannten Verdichter nach Fig. 2 ändert sich die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser der Auslaßöffnung 11 über ihre gesamte Höhe H, d.h. die Querschnittsflache bzw. ihr Durchmesser nimmt von innen nach außen stetig und nichtlinear ab. Dabei ist auch der Übergang von der Innenseite 7 der Ventilplatte 2 zur Auslaßöffnung 11 abgerundet.
Auch der Vorsprung 10 des Kolbens 1 hat eine über seine gesamte Höhe stetig und nichtlinear zu seinem freien Ende hin abnehmende Querschnittsfläche. Das gleiche gilt auch für den Querschnittsdurchmesser des Vorsprungs 10. Die Abnahmegeschwindigkeit der Querschnittsfläche des Vorsprungs 10 ist jedoch etwas größer als die der Auslaßöffnung 11. Gleichzeitig ist der Übergang zwischen der ebenen Stirnfläche 8 des Kolbens 10 und der Umfangsflache des Vorsprungs 10 stetig bzw. abgerundet.
Zwischen dem Vorsprung 10 und der Auslaßöffnung 11 wird ein Durchflußkanal 12 gebildet, dessen Axialschnittkanten in jeder Axialschnittebene stetig gekrümmt sind und dessen freie Querschnittsfläche von der Lage des Kolbens 1 abhängt, d.h. während seines Druckhubs abnimmt. Außerdem ändert sich die Querschnittsfläche des Durch- flußkanals 12 nicht sprungartig, sondern stetig über die Länge des Durchflußkanals.
Während sich der Kolben 1 aus der in Fig. 3 unteren, gestrichelt dargestellten Position zum Oberen Totpunkt hin bewegt, d.h. während seines Druckhubs, erreicht er
die mittlere gestrichelt dargestellte Position. In dieser Position ist die Querschnittsflache des Durchflußkanals verringert. Während sich der Kolben 1 jedoch dem oberen Totpunkt nähert, nimmt seine Geschwindigkeit und damit auch der Massen- oder Volumenstrom des ausgestoßenen Gases ab. Deshalb kann die Querschnittsfläche des Durchflußkanals 12 ohne Erhöhung des Druckverlustes verringert werden. Im oberen Totpunkt des Kolbens 1, durch die durchgehende Linie dargestellt, ist die Quer- schnittsfläche des Durchflußkanals 12 auf ein Minimum verringert, gleichzeitig hat aber der Gasstrom (Massenoder Volumenstrom) abgenommen. Da der Vorsprung 10 die Auslaßöffnung 11 nunmehr nahezu vollständig ausfüllt, wird der "schädliche Raum" auf ein Minimum verringert, weil nahezu die gesamte Gasmenge aus dem Zylinder unter dem Ventilverschlußelement 6 hindurch nach außen gedrückt wird. Es verbleibt jedoch ein freier, wenn auch sehr enger Durchflußkanal, so daß selbst im und nach dem oberen Totpunkt bei geöffnetem Druckventil 3 Gas über die Auslaßöffnung 11 zum Druckausgang austreten kann.
Durch die Verringerung des Druckverlustes während der Entleerung des Zylinders und die gleichzeitige Verrin- gerung des "schädlichen Raums" wird der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 nur dadurch, daß der Übergang 13 zwischen dem Ventilsitz 5 und der Auslaßöffnung 11 sowie der Übergang 14 zwischen der Stirnfläche des Vorsprungs 10 und seiner Umfangsflache stetig abgerundet sind.
Die stetigen Übergänge 13 , 14 sowie die stetigen Übergänge zwischen der Innenseite 7 der Ventilplatte 2 und der Auslaßöffnung 11 sowie zwischen der Stirnfläche 8 des Kolbens 1 und der Umfangsflache des Vorsprungs 10 bewirken, daß in der Gasströmung weniger Wirbel auftreten, so daß die Rezirkulationszonen und die Strömungsgeräusche verringert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Ausla- ßoffnung 15 des Druckventils 3 asymmetrisch. Auch der Vorsprung 16 des Kolbens 1 ist entsprechend asymmetrisch. D.h., die Steilheiten der Flanken der Auslaßöffnung 15 und des Vorsprungs 16 sind auf sich gegenüberliegenden bzw. voneinander abgekehrten Seiten, links und rechts in der Axialschnittansicht, verschieden.
Durch diese aneinander angepaßten Asymmetrien der Auslaßöffnung und des Vorsprungs 16 strömt auch das Gas asymmetrisch aus dem Zylinder 17. Die Auslaßöffnung 15 und der Vorsprung 16 sind hierbei so weit exzentrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet, daß sie nahe an der Wand des Zylinders 17 liegen. Im übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Auslaßöffnung 18 und der Vorsprung 19 ebenfalls asymmetrisch ausgebildet, so daß ihre Axialschnittkonturen einander weitgehend entsprechen, und beide noch näher als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 an der Wand des Zylinders 17 angeordnet. Da in diesem Fall das Gas während des Druckhubs bei geöffnetem Druckventil 3 hauptsächlich von dem in Fig. 6 linken, etwa mittleren Bereich der Stirnfläche 8 zur Auslaßöffnung 18 hin strömt, können die in der Nähe der Innenseite des Zylinders 17 einander zugekehrten Flä-
-li¬
ehen der Auslaßöffnung 18 und des Vorsprungs 19 mit Kanten 20 und 21 versehen sein, die in teilzylindrische Flächen 22 bzw. 23 übergehen. Die Anordnung der Auslaßöffnung 18 in unmittelbarer Nähe der Innenseite des Zylinders 17 ermöglicht es, sowohl die Auslaßöffnung 18 als auch die nicht dargestellte Ansaugöffnung in der Ventilplatte 2 mit einem größeren Durchmesser auszubilden.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann der Vorsprung 10, 16, 19 wenigstens etwa 45% des Volumens der Auslaßöffnung 11, 15, 18 ausfüllen.
Fig. 7 verdeutlicht die Bestimmung der freien Quer- schnittsfläche des Durchflusskanals für eine gegebene Position des Kolbens 1 am Beispiel der in Fig.4 gezeigten rotationssymmetrischen Form von Auslassöffnung 11 und Kolbenvorsprung 12. Unter der freien Querschnittsfläche ist allgemein die für das ausströmende Gas zur Verfügung stehende und durch die ""lichte Weite"" des Durchflusskanals bestimmte kleinste geometrische Querschnittsfläche zu verstehen.
Die freie Querschnittsfläche kann rechnerisch für ver- schiedene Verläufe der Axialschnittkanten von Auslassöffnung 11 und Kolbenvorsprung 12 bestimmt werden. Hierbei werden auf den Axialschnittkanten der Auslassöffnung 11 über die gesamte Höhe der Ventilplatte 2 eine Reihe von Punkten 24 festgelegt. Ebenso werden auf den Axialschnittkanten des Vorsprungs 12 mehrere Punkte 25 festgelegt.
Durch Verbinden eines der Punkte 24 auf der Innenseite der Auslassöffnung mit einem Punkt 25 des Kolbenvor- sprungs erhält man einen Abstand a und einen zugehöri-
gen Durchmesser d, wobei der Durchmesser d der Länge der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten zweier zusammengehörigen horizontal gegenüberliegenden Abstän- de a entspricht. Entsprechend der Formel deff = 2 - ^ja - d ergibt sich daraus ein effektiver Durchmesser deff des Durchflusskanals für einen Abstand a. Geometrisch kann man sich deff als Durchmesser einer kreisrunden Öffnung vorstellen, die die gleiche Querschnittsfläche aufweist wie der Ringspalt zwischen der Innenseite der Auslass- Öffnung und dem Kolbenvorsprung.
Der Punkt 24 auf der Axialschnittkante der Auslassöffnung 11 wird nun in entsprechender Weise mit allen Punkten 25 des Vorsprungs verbunden, und es werden Werte für deff bestimmt. Der kleinste gefundene Wert ent- spricht dem effektiven Durchmesser des Durchflusskanals für diesen betreffenden Punkt 24.
Die freie Querschnittsfläche A des Durchflusskanals 12 bei einer gegebenen Kolbenposition bestimmt sich aus dem insgesamt kleinsten Wert deffmm des effektiven
Durchmessers, nachdem Werte entsprechend der beschriebenen Vorgehensweise für jeden Punkt 24 entlang der Innenseite der Auslassöffnung ermittelt worden sind. Im Falle einer rotationssymmetrischen Form von Auslassöff- nung und Vorsprung ergibt sich A = de 2 ffmm - — .
Das jeweilige Volumen V des Druckraums umfasst das freie Volumen im Zylinder und das Volumen des Totraums bis hin zur oberen Endfläche der Ventilplatte 2.
In Fig.8 zeigt die Veränderung des Druckraumvolumens und des freien Querschnitts des Durchlasskanals 12 für
zwei Positionen des Kolbens 1. In einer ersten Position, die durch die gestrichelte Linie angegeben wird, ergibt sich ein Volumen VI und eine freie Querschnittsfläche AI des Durchflusskanals 12. Im weiteren Verlauf des Hubvorgangs nähert sich der Kolben seinem oberen Totpunkt, und man erhält ein neues geringeres Volumen V2 und eine neue freie Querschnittsfläche A2 , die sich nunmehr in einem Bereich der Auslassöffnung nahe der Unterseite der Ventilplatte befindet. Eine solche Posi- tion des Kolbens ist mit der durchgezogenen Linie angedeutet.
V A Es gilt die Beziehung — <—-, da das Volumen V des
V} A
Druckraums relativ schneller abnimmt als die freie Querschnittsfläche A des Durchlasskanals 12, wodurch eine Erhöhung des Strömungswiderstands sowie Strömungsgeräusche vermieden werden.
Claims
1. Axialkolben-Kältemittelverdichter mit mindestens einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Zylinder (17) durch eine Ventilplatte (2) abgeschlossen ist, die mindestens ein Druckventil (3) mit einer Auslaßöff- nung (11; 15; 18) aufweist, wobei ein Vorsprung
(10; 16; 19) des Kolbens (1) in die Auslaßöffnung (11; 15; 18) ragt, wenn sich der Kolben (1) in der Nähe seines oberen Totpunkts befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (11; 15; 18) , der Kolbenvorsprung (10; 16; 19), die Innenseite (7) der Ventilplatte (2) und die Stirnfläche (8) des Kolbens (1) einen Durchflußkanal (12) mit wenigstens über den größten Teil seines Umfangs stetigem Verlauf seiner Axialschnittkanten begrenzen, daß die freie Querschnittsfläche des Durchflußkanals (12) so lange durch die kleinste Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (11; 15; 18) bestimmt ist, bis der Kolben (1) während seines Druckhubs eine Position erreicht hat, die um mindestens die Höhe (H) der Auslaßöffnung (11; 15; 18) unter dem oberen Totpunkt liegt, daß während des weiteren Druckhubs des Kolbens (1) die relative Abnahme der freien Querschnittsfläche des Durchflußkanals (12) geringer als die relative Abnahme des Volumens des Druckraums im Zylinder (17) ist und daß mindestens 45% des Volumens der Auslaßöffnung (11; 15; 18) im oberen Totpunkt des Kolbens (1) durch den Vorsprung ausgefüllt sind.
2. Axialkolben-Kältemittelverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (11; 15; 18) zur Außenseite der Ventilplatte (2) hin abnimmt, daß die Querschnittsfläche des Vorsprungs (10; 16; 19) zu seinem freien Ende hin abnimmt und daß die Querschnittsflächen der Auslaßöffnung (11; 15; 18) und des Vorsprungs
(10; 16; 19) sich derartig in Axialrichtung ändern, daß sich die freie Querschnittsfläche des Durchflußkanals (12) während der Kolbenbewegung zum oberen Totpunkt weniger ändert als das verbleibende Volumen des Druckraums im Zylinder (17) .
3. Axialkolben-Kältemittelverdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Druckhubs des Kolbens (1) der Strö- mungswiderstand des Durchflußkanals durch die kleinste Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (11; 15; 18) bestimmt ist, bis das freie Ende des Kolbenvorsprungs (10; 16; 19) mit der Innenseite (7) der Ventilplatte (2) fluchtet.
4. Axialkolben-Kältemittelverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Druckhubs des Kolbens (1) der Strömungswiderstand des Durchflußkanals (12) durch die kleins- te Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (11; 15; 18) bestimmt ist, bis 50% der Höhe des Kolbenvorsprungs (10; 16; 19) in die Auslaßöffnung (11; 15; 18) eingedrungen sind.
5. Axialkolben-Kältemittelverdichter nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Axialschnitt durch die Auslaßöffnung (11; 15) der Ventilplatte (2) und den Kolbenvorsprung (10; 16) gekrümmte Schnittkanten aufweist. Axialkolben-Kältemittelverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge (13; 14) zwischen der Ventilplattenoberfläche und der Auslaßöffnung (11; 15; 18) und der Übergang zwischen der Kolbenstirnfläche (8) und dem Vorsprung (10; 16) stetig sind, wobei der Übergang (13) zwischen Auslaßöffnung (11; 15; 18) und Ventilsitz (5) und der Übergang zwischen Vorsprung (10; 16; 19) und Kolbenstirnfläche (8) abgerundet sind.
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