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Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter,
insbesondere für Kältemittel, mit einem Zylindergehäuse,
in dem mindestens ein Zylinderraum angeordnet ist, und
einem Zylinderkopf, der den Zylinderraum begrenzt und
eine Ventilplatte aufweist mit einer
Saugventilanordnung, die mit einer Saugkammer in Verbindung steht, und
einer Druckventilanordnung, die mit einer von der
Saugkammer getrennten Druckkammer in Verbindung steht.
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Ein derartiger Hubkolbenverdichter ist aus US 6 206 655 B1
bekannt. Der Zylinderkopf weist hierbei eine
Ventilplatte auf, die auf dem Zylindergehäuse aufliegt und
den Zylinderraum stirnseitig begrenzt. In der
Ventilplatte sind zwei Saugventile und zwei Druckventile
angeordnet. Auf der Ventilplatte liegt eine Dichtung auf,
auf der wiederum ein Zylinderkopfdeckel aufliegt. Die
Dichtung dichtet den Raum zwischen der Ventilplatte und
dem Zylinderkopfdeckel mit Hilfe einer Umfangswand
zunächst nach außen ab. Zwischen einander
gegenüberliegenden Umfangswandabschnitten ist ein Steg vorgesehen,
der die Saugkammer von der Druckkammer trennt. Der
Zylinderkopfdeckel, die Dichtung, die Ventilplatte und
weitere Ventilelemente werden mit Hilfe von Schrauben
mit dem Zylindergehäuse verbunden.
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Ein weiterer Kältemittelverdichter ist aus DE 33 32 259 A1
bekannt. Hier weist der Zylinderkopf eine
Ventilplatte und einen Zylinderkopfdeckel auf, wobei der
Zylinderkopfdeckel Ausnehmungen aufweist, die eine
Saugkammer und eine Druckkammer bilden.
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Derartige Ausbildungen haben sich prinzipiell bewährt.
Sie sind einfach herzustellen und in der Regel bis zu
gewissen Anforderungen zuverlässig im Betrieb. Das
Kältemittelgas wird durch die Saugkammer angesaugt. Es
strömt während des Saughubs des Kolbens aus der
Saugkammer durch die Saugventilanordnung in den
Zylinderraum. Nach dem Verdichten wird das Gas durch die
Druckventilanordnung in die Druckgaskammer gedrückt. Die
beiden Ventilanordnungen sorgen dabei dafür, daß das
Gas den richtigen Weg nimmt.
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Bei Verdichtern, die mit hohen Arbeitsdrücken oder
hohen Druckdifferenzen zwischen der Saugkammer und der
Druckkammer arbeiten, ergibt sich allerdings ein
Problem bei der Abdichtung zwischen der Saug- und der
Druckseite. Ein Überströmen von Kältemittelgas aus der
Druckkammer in die Saugkammer verringert den
Wirkungsgrad des Verdichters. Dies ist besonders kritisch bei
Kälteanlagen, die mit Kältemitteln betrieben werden,
die eine hohe volumetrische Kälteleistung aufweisen.
Wenn man beispielsweise CO2 (Kohlendioxid) als
Kältemittel verwendet, muß man zur Erzielung der gleichen
Kälteleistung ein geringeres Gasvolumen verdichten als
bei anderen Kältemitteln. Aus diesem Grunde kann man
das Volumen des Zylinderraumes verkleinern,
beispielsweise durch eine Verringerung des Zylinderdurchmessers.
Bei einer Verkleinerung des Zylinderdurchmessers
verringert sich jedoch auch der Platz, der für die
Saugöffnung und die Drucköffnung und vor allem für die
Saugventile und die Druckventile zur Verfügung steht.
Die entsprechenden Öffnungen müssen daher näher
zusammengerückt werden, was eine sichere Abdichtung weiter
erschwert. Man könnte natürlich auch den Durchmesser
der Öffnungen verkleinern. Dies würde jedoch zu einer
Erhöhung des Strömungswiderstandes und damit der
Druckverluste führen, was sich wieder negativ auf den
Wirkungsgrad des Verdichters auswirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Abdichtung zwischen der Saug- und der Druckkammer zu
verbessern.
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Diese Aufgabe wird bei einem Hubkolbenverdichter der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die
Ventilplatte auf der dem Zylinderraum abgewandten Seite einen
Vorsprung aufweist, der die Saugkammer von der
Druckkammer trennt.
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Damit wird die Abdichtung zwischen der Saugkammer und
der Druckkammer in die Ventilplatte integriert. Der
Vorsprung ist einstückig mit der Ventilplatte
ausgebildet, d. h. er ist sicher an der Ventilplatte befestigt.
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Zwischen der Ventilplatte und dem Vorsprung ist kein
Durchtritt von Gas möglich. Man kann daher den
Vorsprung an seinem Fuß, d. h. dem Übergang in die
Ventilplatte, relativ dünn machen, so daß man die Saugöffnung
und die Drucköffnung relativ dicht nebeneinander
plazieren kann, ohne Probleme mit einer Abdichtung wegen
einer zu geringen Dichtungsbreite zu bekommen. Die
erforderliche Mindestbreite des Vorsprungs und damit der
Mindestabstand zwischen der Saug- und der Drucköffnung
hängt also weitgehend von dem Verhältnis der
Arbeitsdrücke zur Festigkeit des Werkstoffs der Ventilplatte
ab. Darüber hinaus ergibt sich durch die Integration
der Dichtung in die Ventilplatte ein weiterer Vorteil.
Die Ventilplatte wird mechanisch versteift. Da sich
diese Versteifung zwischen der Saugöffnung und der
Drucköffnung befindet, ist sie praktisch automatisch im
Bereich des größten Durchmessers des Zylinders
angeordnet, d. h. in einem Bereich, der für Verformungen
besonders anfällig ist. Durch die Versteifung ist die Gefahr
von Verformungen deutlich herabgesetzt. Dadurch wird
die Abdichtung weiter verbessert. Die Ventilplatte muß
die Saug- und Druckventile nicht unbedingt integriert
haben. Es reicht aus, wenn sie als Träger für die Saug-
und Druckventile dient, wie dies aus dem Stand der
Technik bekannt ist.
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Vorzugsweise ist die Dicke der Ventilplatte im Bereich
der Druckventilanordnung kleiner als im Bereich der
Saugventilanordnung. Damit läßt sich das Volumen des
schädlichen Raumes des Verdichters verringern, so daß
sich der Wirkungsgrad des Verdichters weiter erhöhen
läßt. Die Verringerung der Dicke der Ventilplatte ist
möglich, weil die mechanische Beanspruchung durch die
im Zylinderraum herrschenden Drücke nun weitgehend von
dem Vorsprung der Ventilplatte aufgenommen werden kann.
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Vorzugsweise weist die Druckventilanordnung eine
Drucköffnung in die Druckkammer auf, die dem Vorsprung
benachbart ist. Die Drucköffnung ist ein "Loch" in der
Ventilplatte, das die Ventilplatte schwächt. Wenn man
nun diese Schwächung mit der Verstärkung durch den
Vorsprung zusammenbringt, dann wird diese Schwächung
Weitgehend kompensiert. Darüber hinaus kann man den
Vorsprung dann unter Umständen verwenden, um das durch die
Drucköffnung tretende Gas zu leiten. Damit lassen sich
günstige Strömungsverhältnisse erzielen.
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Vorzugsweise sind die Saugkammer und/oder die
Druckkammer in Umfangsrichtung von Wänden begrenzt, die durch
von der Ventilplatte ausgehende Vorsprünge gebildet
sind. Damit ist nicht nur die Trennwand zwischen der
Saugkammer und der Druckkammer in die Ventilplatte
integriert, sondern auch die Umfangswände dieser beiden
Kammern. Auch diese Umfangswände lassen sich dann mit
einer relativ hohen Festigkeit ausgestalten, die der
Festigkeit der Ventilplatte insgesamt entspricht, so
daß man insbesondere im Bereich der Druckkammer relativ
hohe Drücke erzielen kann.
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Vorzugsweise weist der Zylinderkopf einen Deckel auf,
der zumindest an seiner der Ventilplatte zugewandten
Unterseite eine ebene Fläche aufweist. Dies erleichtert
die Fertigung. Ein derartiger Deckel läßt sich
insbesondere dann verwenden, wenn sowohl die Saugkammer als
auch die Druckkammer von Wänden umgeben sind, die in
die Ventilplatte integriert sind.
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Vorzugsweise weist zumindest der Vorsprung, der die
Saugkammer von der Druckkammer trennt, am von der
Ventilplatte abgewandten Ende eine größere Dicke auf als
an der Ventilplatte. Mit anderen Worten ist der Kopf
des Vorsprunges dicker als sein Fuß. Damit kann man die
Breite der Dichtlinie zwischen der Saugkammer und der
Druckkammer weiter vergrößern. Am Kopf des Vorsprunges,
wo der Deckel anliegt, hat man relativ wenige
Beschränkungen im Hinblick auf den zur Verfügung stehenden
Raum. Dieser Raum ist nicht durch die Positionierung
der Saugöffnung und der Drucköffnung begrenzt.
Dementsprechend läßt sich hier die Abdichtung zwischen der
Saugkammer und der Druckkammer weiter verbessern.
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Vorzugsweise bildet der Vorsprung zwischen der
Saugkammer und der Druckkammer zumindest abschnittsweise eine
Doppelwand mit zwei Wandabschnitten, zwischen denen ein
Gasvolumen angeordnet ist. Durch dieses Gasvolumen wird
eine gute thermische Isolierung zwischen der Saugkammer
und der Druckkammer erreicht. Das in die Saugkammer
eingesaugte Gas wird nicht so stark durch die heiße
Begrenzungswand der Druckkammer erwärmt, was sich positiv
auf den volumetrischen Wirkungsgrad des Verdichters
auswirkt. Durch die Doppelwand ergibt sich eine noch
bessere mechanische Verstärkung der Ventilplatte.
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Bevorzugterweise weist die Saugventilanordnung eine
Saugöffnung zur Saugkammer auf, die zumindest teilweise
in dem Vorsprung zwischen der Saugkammer und der
Druckkammer angeordnet ist. Dadurch kann der Vorsprung
insgesamt breiter ausgebildet werden als es dem Abstand
zwischen der Saug- und der Drucköffnung entspricht.
Auch diese Maßnahme ermöglicht eine breitere
Berührungszone zwischen dem Vorsprung und dem Deckel, also
eine verbesserte Dichtung.
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Vorzugsweise ist die Saugventilanordnung über eine mit
Kunststoff ausgekleidete Saugstrecke mit einem
Gasvorrat verbunden. Der Kunststoff bildet einen thermischen
Isolator, so daß man eine unerwünschte Erwärmung des
angesaugten Gases vermeiden kann. Die Saugstrecke ist
also so ausgebildet, daß das angesaugte Gas mit den
metallischen und heißen Teilen der Ventilplatte möglichst
wenig Kontakt bekommt. Auch dadurch wird eine weitere
Verbesserung des Wirkungsgrades des Verdichters
erreicht.
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Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Saugstrecke
durch einen Saugschalldämpfer gebildet ist. Die
Saugöffnung ist also direkt mit dem Ausgang des
Saugschalldämpfers verbunden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung
näher beschrieben. Hierin zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines
Verdichters,
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Fig. 2 eine Schnittansicht II-II nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform und
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Fig. 4 eine dritte Ausführungsform in einer Fig. 2
entsprechenden Ansicht.
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Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht
einen Kältemittel-Hubkolbenverdichter 1 mit einem
Zylindergehäuse 2, in dem ein Zylinderraum 3 angeordnet ist.
Im Zylinderraum 3 ist ein Kolben 4 auf und ab bewegbar.
Der hierfür erforderliche Antrieb ist an sich bekannt
und daher nicht näher dargestellt. Die
Bewegungsrichtung des Kolbens 4 ist durch einen Doppelpfeil 5
angedeutet. Durch die Bewegung des Kolbens 4 wird der
Zylinderraum 3 vergrößert oder verkleinert.
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Der Verdichter 1 weist weiterhin einen Zylinderkopf 6
auf, der eine Ventilplatte 7 und einen Deckel 8
aufweist.
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In der Ventilplatte ist eine Saugöffnung 9 angeordnet,
die durch ein Saugventil 10 verschließbar ist. Über die
Saugöffnung 9 steht der Zylinderraum 3 mit einer
Saugkammer 11 in Verbindung, die im Zylinderkopf 6
ausgebildet ist.
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Ferner weist die Ventilplatte 7 eine Drucköffnung 12
auf, die durch ein Druckventil 13 verschließbar ist.
Über die Drucköffnung 12 steht der Zylinderraum 3 mit
einer Druckkammer 14 in Verbindung, die ebenfalls im
Zylinderkopf 6 ausgebildet ist.
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Zwischen der Saugkammer 11 und der Druckkammer 14 weist
die Ventilplatte einen Vorsprung 15 auf, der einstückig
mit der Ventilplatte 7 verbunden ist. Ferner weist die
Ventilplatte 7 im Bereich ihres Randes einen
umlaufenden Vorsprung 16 auf, der mit dem Vorsprung 15 zwischen
der Saugkammer 11 und der Druckkammer 14 verbunden ist.
Die beiden Vorsprünge 15, 16 umgrenzen also die
Saugkammer 11 und die Druckkammer 14. Der Deckel 8 liegt
auf den Vorsprüngen 15, 16 auf, so daß die Saugkammer
und die Druckkammer 14 zusätzlich durch die
Ventilplatte 7 und den Deckel 8 begrenzt sind.
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Die Kontaktfläche zwischen dem Vorsprung 15 und dem
Deckel 8 bildet eine Dichtungszone 17 zwischen der
Saugkammer 11 und der Druckkammer 14. Die Breite der
Dichtungszone 17 kann noch dadurch vergrößert werden,
daß der Vorsprung 15 an seinem oberen, d. h. von der
Ventilplatte 7 abgewandten Ende eine Verbreiterung 18
aufweist, wie dies gestrichelt eingezeichnet ist.
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Die Ventilplatte 7 hat im Bereich der Saugkammer 11
eine Dicke s und im Bereich der Druckkammer 14 eine Dicke
d, wobei die Dicke d geringer ist als die Dicke s.
Dadurch ist es möglich, die Länge der Drucköffnung 12
klein zu halten. Die Drucköffnung 12 ist ein Teil des
sogenannten schädlichen Raumes des Verdichters 1, d. h.
das in diesem Raum befindliche Gas wird zwar in der
oberen Endlage des Kolbens 4 auf einen höheren Druck
gebracht, jedoch nicht in die Druckkammer 14
ausgestoßen. Je kleiner dieser schädliche Raum ist, desto
größer ist der Wirkungsgrad des Verdichters. Durch die
Verringerung der Dicke d im Bereich der Druckkammer 14
läßt sich das Volumen dieses schädlichen Raumes
verringern.
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Die Verringerung der Dicke der Ventilplatte 7 im
Bereich der Druckkammer 14 ist möglich, weil der
Vorsprung 15 zu einer Versteifung der Ventilplatte 7 und
damit zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegen
Verformungen beiträgt. Dadurch, daß sich die Ventilplatte
7 weniger verformen kann, ist auch eine bessere Anlage
an dem Deckel 8 möglich, d. h. das Risiko, daß es hier
zu Undichtigkeiten kommt, ist außerordentlich klein.
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Die Saugöffnung 9 ist zumindest teilweise im Vorsprung
15 zwischen der Saugkammer 11 und der Druckkammer 14
angeordnet. Sie weist hierzu einen abgewinkelten
Verlauf auf. Wie insbesondere aus Fig. 2 zu erkennen ist,
hat diese Ausgestaltung den Vorteil, daß der Vorsprung
15 eine Breite b aufweisen kann, die größer ist als ein
Abstand a zwischen der Saugöffnung 9 und der
Drucköffnung 12. Je breiter aber der Vorsprung 15, genauer
gesagt die Dichtungszone 17 mit dem Deckel 8, ist, desto
besser ist die Abdichtung zwischen der Saugkammer 11
und der Druckkammer 14.
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Die Drucköffnung 12 ist dem Vorsprung 15 eng
benachbart. Die durch die Saugöffnung 12 bewirkte Schwächung
der Ventilplatte 7 wird durch die Verstärkung, die
durch den Vorsprung 15 bewirkt wird, wieder
kompensiert.
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Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Saugkammer 11 einen
Sauganschluß 19 und die Druckkammer 14 einen
Druckanschluß 20 aufweist, wobei das Gas, das im Zylinderraum
3 verdichtet wird, durch den Sauganschluß 19 in die
Saugkammer 11 eintritt und durch den Druckanschluß 20
aus der Druckkammer 14 austritt. Leitungen, die an die
beiden Anschlüsse 19, 20 angeschlossen werden können,
sind an sich bekannt und werden daher nicht näher
dargestellt.
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Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel in
einer Ansicht, die der der Fig. 2 entspricht. Gleiche
Teile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Im Unterschied zu der Ausgestaltung nach den Fig. 1 und
2 ist hier der Vorsprung als Doppelwand mit zwei
Abschnitten 15a und 15b ausgebildet, wobei der Abschnitt
15b eine wesentlich größere Breite als der Abschnitt
15a aufweist. Dies ist dadurch bedingt, daß in der
Druckkammer 14 ein höherer Druck als in der Saugkammer
11 herrscht und dementsprechend eine bessere Abdichtung
der Saugkammer 14 zur Umgebung hin erforderlich ist,
das durch eine breitere Dichtzone am Abschnitt 15b
erreicht werden kann. Zwischen den beiden Abschnitten
15a, 15b ist ein Gasvolumen 21 angeordnet, das eine
thermische Isolierung zwischen den beiden
Wandabschnitten 15a, 15b bewirkt. Diese thermische Isolierung
bewirkt, daß der Abschnitt 15a eine geringere Temperatur
als der Abschnitt 15b aufweist. Der Abschnitt 15b wird
aufgrund der erhöhten Temperatur des auf erhöhten Druck
gebrachten Gases in der Druckkammer 14 heißer werden
als das in die Saugkammer 11 über den Sauganschluß 19
eingesaugte Gas. Wenn das eingesaugte Gas erwärmt wird,
dehnt es sich aus und kann dementsprechend den
Zylinderraum 3 nur mit einer verringerten Masse des Gases
füllen.
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Dargestellt ist, daß das Gasvolumen 21 zur Umgebung hin
offen ist. In diesem Fall kann permanent ein Austausch
des in dem Gasvolumen 21 befindlichen Gases mit der
Umgebung erfolgen. Man kann das Gasvolumen 21 aber auch
abschließen und gegebenenfalls evakuieren, um die
thermische Isolierung zu verstärken.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das
weitgehend dem der Fig. 2 entspricht. Hinzugekommen
ist, daß ein Saugschalldämpfer 22 in der Saugkammer 11
angeordnet ist. Der Saugschalldämpfer 22 weist einen
Anschlußstutzen 23 auf, der durch den Sauganschluß 19
geführt ist. Der Saugschalldämpfer 22 ist aus
Kunststoff gebildet, der eine sehr schlechte
Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Saugschalldämpfer 22 weist einen
Anschlußstutzen 24 auf, der unmittelbar in die
Saugöffnung 9 geführt ist. Mit dieser Ausgestaltung wird
erreicht, daß das angesaugte Gas keinen Kontakt mit
heißen metallischen Flächen der Ventilplatte oder des
Deckels bekommt. Es wird also nicht so stark erwärmt, so
daß sich der Wirkungsgrad des Verdichters 1 weiter
verbessern läßt.
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Es ist allerdings nicht in allen Fällen notwendig,
einen kompletten Saugschalldämpfer 22 in der Saugkammer
11 anzuordnen. Man kann auch einfach die Saugkammer 11
mit einem Kunststoff oder einer anderen thermischen
Isolierung auskleiden und den Saugschalldämpfer
außerhalb des Zylinderkopfes 6 anordnen.