EP1180214B1 - Axialkolben-kältemittelverdichter - Google Patents

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EP1180214B1
EP1180214B1 EP00929315A EP00929315A EP1180214B1 EP 1180214 B1 EP1180214 B1 EP 1180214B1 EP 00929315 A EP00929315 A EP 00929315A EP 00929315 A EP00929315 A EP 00929315A EP 1180214 B1 EP1180214 B1 EP 1180214B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
outlet opening
projection
sectional area
cross
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00929315A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1180214A1 (de
Inventor
Frank Holm Iversen
Preben Bjerre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Danfoss Deutschland GmbH
Original Assignee
Danfoss Compressors GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Danfoss Compressors GmbH filed Critical Danfoss Compressors GmbH
Publication of EP1180214A1 publication Critical patent/EP1180214A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1180214B1 publication Critical patent/EP1180214B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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, whose cylinders are closed by a valve plate which has at least one pressure valve with a Has outlet opening, with a projection of the piston protrudes into the outlet opening when the piston is in the Located near its top dead center.
  • An axial piston compressor is from patent application DK 898/92 known with a conical piston projection, the one with a conical outlet opening of the pressure valve interacts.
  • the piston projection should the outlet opening at top dead center if possible completely fill in to their "harmful space" avoid, i.e. to also eject the gas contained therein and thereby the efficiency of the compressor to increase.
  • the invention has for its object an axial piston refrigerant compressor of the type mentioned at the beginning specify which has an even higher efficiency.
  • this object is achieved in that the outlet opening, the piston projection, the inside the valve plate and the end face of the piston one Flow channel with at least most of it its circumference continuous course of its axial cutting edges limit that the free cross-sectional area of the Flow channel through the smallest cross-sectional area the outlet opening is determined until the Piston reaches a position during its pressure stroke has at least the height of the outlet opening below top dead center lies that during the rest Piston pressure stroke the relative decrease in free Cross-sectional area of the flow channel less than that relative decrease in the volume of the pressure chamber is and that at least 45% of the volume of the outlet opening in the top dead center of the piston filled by the projection are.
  • the cross-sectional area the outlet opening to the outside of the valve plate decreases that the cross-sectional area of the projection decreases towards its free end and that the Cross-sectional areas of the outlet opening and the projection change in the axial direction so that the free cross-sectional area of the flow channel during the piston movement changes relatively less than that Volume remaining in the cylinder. This ensures that the flow resistance of the flow channel remains at a low level during the flow or mass flow decreases during the piston pressure stroke.
  • the flow resistance can of the flow channel through the smallest cross-sectional area the outlet opening to be determined until the free end of the piston projection with the inside of the Valve plate is aligned. This ensures optimal gas flow ensured while the mass flow through the outlet opening is the largest.
  • An advantageous embodiment is that a 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 steeper than that of the ledge.
  • the compressor according to the invention can do so be designed so that the transitions between the valve plate surface and the exhaust port and transition between the piston face and the projection are continuous, the transition between the outlet opening and valve seat and the transition between projection and piston face are rounded. Thereby can the gas drain during the emptying of the cylinder done almost without vortex formation, the flow resistance is reduced.
  • the outlet opening can be asymmetrical. This is an advantage if the outlet opening is opposite the center of the cylinder is offset.
  • the outlet opening can be symmetrical his. This is an advantage if the outlet opening is near the center of the cylinder.
  • the piston projection can also be asymmetrical his. This allows the lead to be asymmetrical Outlet opening can be adjusted.
  • piston projection is symmetrical, it can be adapted to a symmetrical outlet opening become.
  • a piston 1 is guided in a cylinder, not shown, which is closed by a valve plate 2.
  • the valve plate 2 is shown schematically with a Pressure valve 3 provided that a circular cylindrical Outlet opening 4 in the valve plate 2 with a trained on the outside of the valve plate 2
  • Valve seat 5 and a valve closure element 6 in the form has a plate.
  • the valve closure element 6 is under the internal pressure of the cylinder against the force a spring, not shown, lifted off the valve seat 5, to open the pressure valve 3, or is on the valve plate 2 clamped leaf spring educated.
  • the flow at the circumference of the outlet opening 4th restricted, i.e. the free cross-sectional area of a Flow channel to the outlet opening 4 is reduced and thereby the flow velocity during the pressure stroke with the pressure valve 3 open, so that recirculation zones are formed in the outlet opening, which increase the flow resistance and thereby the Reduce compressor efficiency and at the same time increase the noise level when the compressor is operating.
  • the volume of the outlet opening 4 acts as "more harmful Space ", which further increases the efficiency of the compressor reduced.
  • the known refrigerant compressor according to FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the End face 8 of the piston 1 with an approximately frustoconical shape Projection 9 is provided, the outlet opening 4 partially completed.
  • the projection 9 can however, restrict the flow before the Projection 9 enters the outlet opening 4 and before the pressure valve 3 is open. If the pressure valve 3 is open is the flow rate of the gas, while being pushed out of the cylinder by the piston 1 is greatest, so that a reduction in Cross-sectional area of the flow channel the efficiency of the compressor significantly reduced.
  • the end face 8 of the piston 1 is provided with a projection 10 which the outlet opening 11 of the pressure valve 3 at top dead center of the piston 1 partially fills in as it does the continuous boundary line of the piston 1 is shown is.
  • the dashed lines represent the piston 10 in different lower positions.
  • the cross-sectional area or the diameter changes the outlet opening 11 over its entire height H, i.e. the Cross-sectional area or its diameter increases from the inside outwards steadily and non-linearly. It is also the transition from the inside 7 of the valve plate 2 rounded to the outlet opening 11.
  • the projection 10 of the piston 1 has one over its total height steady and non-linear to its free Cross-sectional area decreasing towards the end. The same also applies to the cross-sectional diameter of the projection 10. The decrease rate of the cross-sectional area the projection 10 is somewhat larger, however 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 circumferential surface of the projection 10 continuously or rounded.
  • a flow channel 12 is formed, the axial cutting edges are continuously curved in each axial section plane and the free cross-sectional area of the position of the piston 1 depends, i.e. decreases during its pressure stroke.
  • the cross-sectional area of the flow channel changes 12 not suddenly, but steadily over the length of the flow channel.
  • the outlet opening 15 of the pressure valve 3 asymmetrical.
  • the Projection 16 of the piston 1 is correspondingly asymmetrical. That is, the steepness of the flanks of the outlet opening 15 and the projection 16 are opposite to each other or facing away from each other, left and right in the axial sectional view, different. Because of these mutually adapted asymmetries of the outlet opening and the protrusion 16 also flows the gas asymmetrical from the cylinder 17.
  • the outlet opening 15 and the projection 16 are so far eccentric arranged to the central axis of the cylinder that they are close lie on the wall of the cylinder 17. Otherwise corresponds this embodiment the embodiment according to Fig. 4.
  • the outlet opening 18 and the projection 19 also asymmetrical so that their axial cut contours largely correspond to each other, and both even closer than in the embodiment according to Fig. 5 arranged on the wall of the cylinder 17.
  • the arrangement of the outlet opening 18 in the immediate vicinity of the inside of the Cylinder 17 enables both the outlet opening 18th as well as the suction opening, not shown in the Form valve plate 2 with a larger diameter.
  • the projection 10, 16, 19 at least about 45% of the volume of the outlet opening Fill in 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 that shown in Fig.4 rotationally symmetrical shape of outlet opening 11 and piston projection 12. Below the free cross-sectional area is generally that for the outflowing gas Available and by the "clear width" of the Flow channel determined the smallest geometric cross-sectional area to understand.
  • the free cross-sectional area can be calculated for different Gradients of the axial cut edges of the outlet opening 11 and piston projection 12 are determined.
  • a Set of points 24 On the axial cut edges of the outlet opening 11 over the entire height of the valve plate 2 a Set of points 24.
  • a Set of points 24 On the axial cut edges of the projection 12 several points 25 set.
  • d eff 2 a ⁇ d this results in an effective diameter d eff of the flow channel for a distance a.
  • 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 free cross-sectional area A of the flow channel 12 for a given piston position is determined from the overall smallest value d eff min of the effective diameter after values have been determined for each point 24 along the inside of the outlet opening in accordance with the described procedure.
  • A d 2 / eff min ⁇ ⁇ / 4 results.
  • the respective volume V of the pressure chamber includes this free volume in the cylinder and the volume of the dead space to the upper end surface of the valve plate 2.

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Description

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 A1 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 Strömungswiderstand 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 Vorsprungs 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 Übergang zwischen der Kolbenstirnfläche und dem Vorsprung stetig sind, wobei der Übergang zwischen Auslaßöffnung und Ventilsitz und der Übergang zwischen Vorsprung 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 ausgebildet 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-Kältemittelverdichters 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 KolbenZylinder-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 Kältemittelverdichters,
Fig. 6
ebenfalls einen den vorhergehenden Figuren entsprechenden Axialschnitt eines Teils einer Kolben-Zylinder-Einheit eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters.
Fig. 7
einen der Fig. 4 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit zur Verdeutlichung der Bestimmung der freien Querschnittsfläche 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 kreiszylindrische 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 Rezirkulationszonen 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 weiter 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 kegelstumpfförmgen 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 Totpunkt 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 Querschnittsfläche 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 Umfangsfläche 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 Durchflußkanals 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 Querschnittsfläche 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 Querschnittsfläche 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 Verringerung 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 Umfangsfläche 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 Umfangsfläche 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 Auslaßöffnung 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 Flächen 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 Querschnittsfläche 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 verschiedene 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 Kolbenvorsprungs erhält man einen Abstand a und einen zugehörigen Durchmesser d, wobei der Durchmesser d der Länge der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten zweier zusammengehörigen horizontal gegenüberliegenden Abstände a entspricht. Entsprechend der Formel deff = 2· a·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 Auslassöffnung 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 entspricht 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 deff min 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 Auslassöffnung und Vorsprung ergibt sich A = d 2 / eff min · π / 4.
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 V1 und eine freie Querschnittsfläche A1 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 Position des Kolbens ist mit der durchgezogenen Linie angedeutet.
Es gilt die Beziehung V 2 / V 1 < A 2 / A 1, da das Volumen V des Druckraums relativ schneller abnimmt als die freie Querschnittsfläche A des Durchlasskanals 12, wodurch eine Erhöhung des Strömungswiderstands sowie Strömungsgeräusche vermieden werden.

Claims (6)

  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 Auslaßöffnung (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 Strömungswiderstand 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 kleinste 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.
  6. 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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