-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter mit einer Verdichterkammer,
in der ein Kolben bewegbar ist, und einer die Verdichterkammer begrenzenden
Ventilplatte, in der wenigstens ein Ventil durch ein in einer Schließstellung
eine Öffnung
der Ventilplatte überdeckendes
Blatt gebildet ist. Um die Öffnung
dicht zu verschließen,
muss das Blatt in der Schließstellung
auf dem gesamten Rand der Öffnung dicht
anliegen. Dies gelingt nicht, wenn in dem zu verdichtenden Medium
mitgeführte
Partikel sich zwischen Blatt und Ventilplatte absetzen. Aus dem
Vorhandensein solcher Partikel resultierende Leckagen führen zu
einer erheblichen Wirkungsgradeinbuße des Verdichters und begrenzen
den an seinem Ausgang erreichbaren Druck.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, einen Verdichter anzugeben, bei
dem die Wahrscheinlichkeit, dass Partikel zwischen Blatt und Ventilplatte das
Blatt am Abdichten der Öffnung
hindern, minimiert ist.
-
Die
Aufgabe wird gelöst,
indem bei einem Verdichter mit einer Verdichterkammer, in der ein
Kolben bewegbar ist, und einer die Verdichterkammer begrenzenden
Ventilplatte, in der wenigstens ein Ventil durch ein in einer Schließstellung
einer Öffnung
der Ventilplatte überdeckendes
Blatt gebildet ist, in einem mittleren Abschnitt des Blatts, der
zwischen einer an der Ventilplatte fixierten Wurzel des Blatts und
einem die Öffnung
verschließenden
Kopf des Blatts liegt, einer Aussparung der Ventilplatte gegenüberliegt.
Aufgrund der wurzelseitigen Fixierung wird der Hub des Blatts während des
Betriebs des Verdichters vom Kopf zur Wurzel hin immer kleiner. Daher
können
insbesondere Partikel, die in Wurzelnähe zwischen der Ventilplatte
und dem Blatt stecken bleiben, dessen Dichtwirkung empfindlich beeinträchtigen.
Die Aussparung der Ventilplatte sorgt jedoch dafür, dass auch zwischen den nur
wenig beweglichen Teilen des Blatts und der Oberfläche der Ventilplatte
genügend
Platz vorhanden ist, damit Partikel aus diesem Zwischenraum entweichen
können.
-
Zweckmäßigerweise
erstreckt sich die Aussparung bis unter die Wurzel selbst und verläuft somit unter
demjenigen Bereich des mittleren Abschnitts, dessen Beweglichkeit
am geringsten ist und wo infolgedessen ohne das Vorhandensein der
Aussparung die Wahrscheinlichkeit, dass ein stecken gebliebener Partikel
sich wieder lösen
kann, am geringsten ist.
-
Zweckmäßig ist
auch, dass die Aussparung sich über
einen Rand des Blatts hinaus erstreckt, so dass durch die Bewegung
des Blatts in Richtung der Ventilplatte unter Druck gesetztes Fluid
aus der Vertiefung seitlich entweichen kann, ohne die Bewegung des
Blatts übermäßig zu dämpfen. So
kann das Ventil bei einem Druckwechsel in der Verdichterkammer schnell
schließen,
und ein Rückfluss
in Sperrrichtung des Ventils, der den Wirkungsgrad des Verdichters verringern
würde,
wird minimiert.
-
Vorzugsweise
ist das Blatt in einem Spalt zwischen der Ventilplatte und einem
hubbegrenzenden Element beweglich. So kann das Blatt auch bei geringer
oder gar verschwindender Eigensteifigkeit bei offenem Ventil in
geringem Abstand von der Ventilplatte gehalten werden, um ein schnelles
Schließen bei
Druckwechsel zu gewährleisten.
Die geringe erforderliche Eigensteifigkeit erlaubt es, das Blatt
sehr dünn
zu machen, so dass eine lange Betriebszeit des Verdichters ohne
nennenswerte Materialermüdung des
Blatts erreichbar ist.
-
Zur
Vermeidung von Materialermüdung
ist ferner bevorzugt, dass das hubbegrenzende Element an der Wurzel
des Blatts anliegt und entlang des mittleren Abschnitts des Blatts
kontinuierlich gekrümmt ist.
Indem sich das Blatt in offenem Zustand an das hubbegrenzende Element
anschmiegt, kann eine gleichmäßige Verteilung
der Biegebeanspruchung über
einen großen
Teil des Blatts erreicht werden.
-
Das
hubbegrenzende Element und das Blatt können rationellerweise gemeinsam
an der Ventilplatte vernietet sein.
-
Um
eventuelle Lecks zwischen den zwei Seiten der Ventilplatte an den
Nieten zu minimieren, sind vorzugsweise Passnieten verwendet, um
den Full des Blatts an der Ventilplatte zu fixieren.
-
Vorzugsweise
ist das Blatt elastisch biegsam, und die Schließstellung ist eine Ruhestellung des
Blatts.
-
Bei
der Öffnung
kann es sich um eine Auslassöffnung
der Verdichterkammer handeln.
-
In
diesem Fall ist die Öffnung
vorzugsweise auf der Längsachse
der Verdichterkammer angeordnet, und ein in der Verdichterkammer
um deren Achse drehbarer Kolben trägt einen Verdrängerabschnitt, der
in einer Totpunktstellung in die Öffnung eingreift, um das Totvolumen
der Verdichterkammer zu minimieren.
-
Eine
Einlassöffnung
der Verdichterkammer ist dann vorzugsweise außermittig in der Ventilplatte angeordnet.
Um die Querschnittsfläche
der Einlassöffnung
zu maximieren, erstreckt sich diese vorzugsweise bogenförmig um
die Auslassöffnung.
-
Es
kann sich bei der durch das Blatt verschließbaren Öffnung aber auch um eine Einlassöffnung der
Verdichterkammer handeln. In diesem Fall weist das Blatt zweckmäßigerweise
eine zentrale Öffnung
auf, die auf eine in der Ventilplatte gebildete Auslassöffnung ausgerichtet
ist.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht eines Linearverdichters, an dem die vorliegende
Erfindung verwirklicht ist;
-
2 eine
auseinander gezogene Ansicht von Teilen des Verdichters aus 1 gemäß einer ersten
Ausgestaltung;
-
3 ein
vergrößertes Detail
aus 2 gemäß einer
weiter entwickelten zweiten Ausgestaltung;
-
4 einen
Schnitt durch die Ventilplatte des Linearverdichters gemäß der zweiten
Ausgestaltung;
-
5 eine
weitere perspektivische Detailansicht gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
-
6 einen
axialen Teilschnitt durch den Linearverdichter; und
-
7 einen
radialen Schnitt entlang der Linie VII-VII der 6.
-
1 zeigt
beispielhaft den Aufbau eines Linearverdichters für ein Kältegerät, der eine
bevorzugte Anwendung der Erfindung darstellt. Der Linearverdichter
hat einen steifen, in Draufsicht in etwa U-förmigen Rahmen, der aus zwei
flachen Wandstücken 1 und
einem Bogen 2 zusammengesetzt ist. Zwischen einander zugewandten
Stirnseiten des Bogens 2 und der zwei Wandstücke 1 ist
eine erste Membranfeder 3 eingespannt, eine zweite Membranfeder 4 von
gleicher Gestalt wie die Membranfeder 3 ist an von dem
Bogen 2 abgewandten Stirnseiten der Wandstücke 1 befestigt.
-
Die
aus Federblech gestanzten Membranfedern 3, 4 haben
jeweils vier Federarme 5, die sich im Zickzack von den
Wandstücken 1 zu
einem Mittelabschnitt 6 erstrecken, an dem sie zusammentreffen. Der
Mittelabschnitt 6 weist jeweils zwei Bohrungen auf, zwei äußere, an
denen mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 7 ein permanent
magnetischer Schwingkörper 8 aufgehängt ist,
und eine mittlere Bohrung, durch die sich bei der Membranfeder 3 eine
an dem Schwingkörper 8 z.
B. durch Verschraubung befestigte Kolbenstange 10 erstreckt.
Die Kolbenstange 10 verbindet den Schwingkörper 8 mit
einem in der Fig. nicht sichtbaren Hubkolben im Inneren eines Zylinders 15,
der von dem Bogen 2 getragen ist. Kältemitteleinlass und -auslassstutzen
der Pumpkammer sind mit 16 bzw. 17 bezeichnet.
-
Zwei
Elektromagnete 9 mit E-förmigen Joch und einer um den
mittleren Schenkel des E gewickelten Spule sind jeweils zwischen
dem Schwingkörper 8 und
den Wandstücken 1 mit
dem Schwingkörper 8 zugewandten
Polschuhen angeordnet und dienen zum Antreiben einer Schwingbewegung
des Schwingkörpers 8.
Eine Steuerschaltung 37 versorgt die Elektromagnete 9 mit
einem Wechselstrom, dessen Frequenz an die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems
angepasst ist, welches durch die Membranfedern 3, 4,
den Schwingkörper 8 und
den von ihm angetriebenen Hubkolben gebildet ist.
-
Einer
nicht gezeichneten Abwandlung zufolge können eine oder beide Membranfedern
durch eine Blattfeder von im Wesentlichen rechteckiger Grundfläche ersetzt
sein, von der jeweils ein Rand an einem Ende eines der Wandstücke 1 befestigt
ist und dessen entgegengesetzter Rand am Schwingkörper 8 befestigt
ist. Das gegenüberliegende
Wandstück 1 trägt bei dieser
Abwandlung kein Federelement. Eine solche Blattfeder muss sehr dünn sein,
um hinreichend ermüdungsfrei
der Bewegung des Schwingkörpers 8 folgen
zu können,
und kann daher nur eine geringe Rückstellkraft auf den Schwingkörper 8 ausüben. Die
Rückstellkraft
ist jedoch proportional zur Resonanzfrequenz des Schwingkörpers und
damit zum Durchsatz des Verdichters. Um eine ausreichend hohe Rückstellkraft
auf den Schwingkörper 8 auszuüben, können insbesondere
in Schwingrichtung ausgerichtete, auf Zug und Druck belastbare Spiralfedern
vorgesehen sein.
-
Der
Zylinder 15 ist, wie in 1 erkennbar, gegliedert
in einen Hauptkörper 11,
in welchem der Hubkolben hin und her beweglich geführt ist,
eine Ventilplatte 12, die eine Stirnwand einer im Hauptkörper ausgesparten
Verdichterkammer bildet, und eine Kappe 13, an der sich
die Ein- und Auslassstutzen 16, 17 befinden.
-
Der
Aufbau des Zylinders wird deutlicher anhand der auseinandergezogenen
Darstellung der 2. Der Hauptkörper 11 ist
in der 2 weggelassen; der Umriss der sich in dem Hauptkörper erstreckenden
Verdichterkammer ist an der Ventilplatte 12 als gestrichelter
Kreis 14 angedeutet. Die Längsachse der Verdichterkammer
ist als strichpunktierte Linie eingezeichnet. In der Ventilplatte 12 ist
eine kreisrunde Auslassbohrung 18 exakt koaxial zu der
Längsachse
angeordnet. Ein kreisbogenförmiger
Schlitz erstreckt sich über
einen Winkel von hier etwa 120° um die
Auslassbohrung 18 herum und bildet eine Einlassöffnung 19 der
Verdichterkammer.
-
Weitere
Bohrungen 20 an den Ecken der Ventilplatte 12 sind
vorgesehen, um nicht dargestellte Schrauben aufzunehmen, mit denen
die Ventilplatte 12 und die Kappe 13 am Hauptkörper 11 befestigt werden.
Zwei weitere Bohrungen 21 dienen zur Befestigung von zwei
Blattfedern 22 bzw. 23 an der Ventilplatte 12 mit
Hilfe von Passnieten 24. Die Blattfedern 22, 23 bilden
zusammen mit der Einlassöffnung 19 bzw.
der Auslassbohrung 18 jeweils Ein- und Auslassventile der
Verdichterkammer. Die Blattfedern 22, 23 haben
jeweils eine langgestreckte Wurzel 25, in der zu den Bohrungen 21 komplementäre Löcher 26 für die Passnieten 24 gebildet
sind, und eine von der Wurzel 25 zur Längsachse hin abstehende elastische Zunge 27.
-
In
die Zunge 27 der Blattfeder 23 ist eine Öffnung 28 geschnitten,
die, wenn die Blattfeder 23 an der Ventilplatte 12 vernietet
ist, die Auslassbohrung 18 frei lässt. Ein Endabschnitt 38 der
Zunge 27, der sich bogenförmig um die Öffnung 28 erstreckt,
bildet einen Absperrkörper
des Einlassventils, der in entspanntem Zustand der Blattfeder 23 die
Einlassöffnung 19 abdeckt.
-
Die
Zunge 27 der Blattfeder 22 liegt von außen an der
Auslassbohrung 18 an, wobei ihre Spitze als Absperrkörper des
Auslassventils fungiert.
-
Das
Innere der Kappe 13 ist durch eine Zwischenwand 29 in
einen saugseitigen Hohlraum 30 und einen druckseitigen
Hohlraum 31 unterteilt, auf die der Kältemitteleinlassstutzen 16 bzw.
-auslassstutzen 17 münden
und die mit der Verdichterkammer über die Einlassöffnung 19 bzw.
die Auslassbohrung 18 kommunizieren.
-
Der
mit 32 bezeichnete Hubkolben weist an seiner in der Perspektive
der 2 vom Betrachter abgewandten Seite einen zur Längsachse
konzentrischen Vorsprung 33 auf, dessen Länge und
Durchmesser der gemeinsamen Dicke der Ventilplatte 12 und
der Blattfeder 23 bzw. dem Durchmesser der Auslassbohrung 18 entsprechen.
An einem oberen Totpunkt der Bewegung des Hubkolbens 32,
wenn dieser die vom in der Verdichterkammer herrschenden Druck gegen
die Ventilplatte 12 gedrückte Blattfeder 23 nahezu
berührt,
rückt der
Vorsprung 33 in die Auslassbohrung 18 ein und
verdrängt
darin enthaltenes Restgas.
-
3 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Abwandlung des erfindungsgemäßen Verdichters,
wobei allerdings die Ventilplatte 12 mit derjenigen der 2 identisch
ist. In 3 erkennt man die in der Perspektive
der 2 vom Betrachter abgewandte, der Kappe 13 gegenüber liegende
Oberfläche
der Ventilplatte 12. In dieser Oberfläche ist zwischen den Bohrungen 21 einerseits
und der Auslassbohrung 18 andererseits eine Vertiefung 39 gebildet.
Der Umriss der Blattfeder 22 ist als punktierte Linie auf
die Oberfläche
der Ventilplatte 12 aufgezeichnet, so dass zu erkennen
ist, dass die Vertiefung 39 sich größtenteils unter einem wurzelnahen Abschnitt 40 der
Zunge 27 und zu einem kleineren Teil auch bis unter die
Wurzel 25 erstreckt. Die Vertiefung 39 liegt also
größtenteils
unter einem Bereich der Blattfeder 22, der sich, wenn im
Betrieb des Verdichters die Zunge 27 vor und zurückschwenkt,
nur wenig bewegt, und, wenn die Oberfläche der Ventilplatte 12 eben
wäre, mit
diesem einen schmalen, zur Wurzel 25 hin spitz zulaufenden
Spalt bilden würde. Indem
die Vertiefung 39 die Bildung eines solchen spitz zulaufenden
Spalts ausschließt,
verhindert sie, dass in dem von dem Verdichter verdichteten Fluid mitgeführte Partikel
sich zwischen der Blattfeder 22 und der Ventilplatte 12 festsetzen
und so die Ventilwirkung der Blattfeder 22 beeinträchtigen
können.
-
Um
eine unerwünschte
Dämpfung
der Bewegung der Blattfeder 22 durch in der Vertiefung 39 gefangenes
Fluid zu vermeiden, ist die Vertiefung 39 etwas breiter
als die Zunge 27, so dass durch die Bewegung der Zunge 27 in
die Vertiefung 39 hineingedrücktes Fluid leicht in seitlicher
Richtung entweichen kann.
-
Die
in 3 ferner dargestellte bevorzugte Weiterentwicklung
beruht darin, dass auf der gezeigten Oberfläche der Ventilplatte 12 nicht
nur die Blattfeder 22 vernietet ist, sondern zusätzlich ein
hubbegrenzendes Element 41, hier in Form eines mit der Blattfeder 22 kongruenten
steifen Plättchens,
dessen Zunge 42 gleichmäßig gekrümmt ist,
so dass ihre Spitze von der Ventilplatte 12 schräg absteht.
Eine Wurzel des Hubbegrenzers 41 ist an der Ventilplatte durch
die Nieten 24 befestigt, wie insbesondere in der Schnittdarstellung
der 4 zu erkennen, und die Wurzel der Blattfeder 22 ist
zwischen dem Hubbegrenzer 41 und der Ventilplatte 12 fixiert.
Wenn verdichtetes Fluid durch die Auslassbohrung 18 gegen
die Zunge 27 der Blattfeder 22 strömt, wird
diese zurückgedrängt, und
die Zunge 27 schmiegt sich auf ihrer ganzen Länge an die
Zunge 42 des Hubbegrenzers 41 an. Das Vorhandensein
des Hubbegrenzers 41 erlaubt es zum einen, für die Blattfeder 22 ein
sehr dünnes,
extrem leicht biegsames Material zu verwenden, das Biegevorgänge im vom
Hubbegrenzer 41 zugelassenen Umfang lange Zeit ohne nennenswerte
Materialermüdung
aushält.
Die gleichmäßige Krümmung der
Zunge 42 hat zur Folge, dass auch die Zunge 27,
wenn sie von aus der Auslassbohrung 18 strömendem Fluid
gegen den Hubbegrenzer 41 gedrückt wird, eine gleichmäßig gekrümmte Form
annimmt, wodurch die Materialbeanspruchung der Blattfeder 22 weiter
verringert wird.
-
5 zeigt
eine weitere perspektivische Detailansicht gemäß einer zweiten Weiterbildung,
die mit der in 3 und 4 gezeigten
kombinierbar ist. Die die Einlassöffnung 19 überdeckende
Blattfeder 23 ist hier einteilig zusammenhängend mit
einem an der Ventilplatte 12 anliegenden Ring 44 ausgeführt. Die
Position des Rings 44 an der Ventilplatte 12 ist
vorgegeben durch zwei Stifte 45, die durch zwei Löcher 46 des
Rings 44 hindurch in Sackbohrungen der Ventilplatte 12 eingesteckt
sind. In gleicher Weise ist die Position eines auf den Ring 44 aufgelegten
Abstandhalterrings 47 sowie eines Rohrstücks 48 vorgegeben.
Ein umlaufender Bund des Rohrstücks 48 enthält zu den
Sackbohrungen der Ventilplatte 12 komplementäre Bohrungen,
die die Stifte 45 aufnehmen. Das Rohrstück 48 bildet die Außenwand
der Verdichterkammer. An der Außenseite
des Rohrstücks 48 ist
eine Mehrzahl von Rillen 49 gebildet, von deren Boden aus
sich jeweils mehrere sehr feine radiale Bohrungen 35 bis
zur Verdichterkammer erstrecken.
-
Wie
der axiale Schnitt der 6 und der radiale Schnitt der 7 zeigen,
ist das Rohrstück 48 von
einem ringförmigen
Hohlraum 50 umgeben. Dieser kommuniziert über eine
Bohrung 36 der Ventilplatte (siehe 2) mit dem
druckseitigen Hohlraum 31 der Kappe 13. Aus dem
Hohlraum 50 über
die Bohrungen 35 in die Verdichterkammer zurückströmendes Fluid
bildet eine Gleitschicht, auf der sich der Hubkolben 32 reibungsfrei,
ohne Kontakt mit dem Rohrstück 48,
bewegt.
-
Wie
in 5 zu erkennen, weist der Abschnitthalterring 47 in
der Nähe
der Wurzel der Blattfeder 23 einen Ausschnitt 51 auf,
der es den dünnen Stegen 34,
die den bogenförmigen
Endabschnitt 38 der Zunge mit dem Ring 44 verbinden,
auf ihrer gesamten Länge
ermöglicht,
vor dem Druck von in die Verdichterkammer einströmendem Fluid zurückzuweichen.
In der 6 sind die Dicken der Blattfeder 23 und
des Abstandhalterrings 47 stark übertrieben, um diese deutlich
zeigen zu können;
dennoch wird deutlich, dass hier die der Ventilplatte 12 zugewandte Stirnseite
des Rohrstücks 48 als
ein Hubbegrenzer wirken kann, der die schmalen Stege 34 auf
einem Teil ihrer Länge
abstützt,
wenn in die Verdichterkammer strömendes
Fluid die Blattfeder 23 von der Ventilplatte 12 fort
drückt.
-
Aufgrund
der geringen Breite der Stege 34 ist die Wahrscheinlichkeit
des Steckenbleibens von Partikeln geringer als bei der druckseitigen
Blattfeder 22. Falls erforderlich, ist es selbstverständlich auch
hier möglich,
durch (nicht gezeigte) Vertiefungen, die jeweils unterhalb der Stege 34 in
der Ventilplatte angeordnet sind, diese Wahrscheinlichkeit noch
weiter zu verringern.
-
Zwar
ist in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Verdichter
stets durch ein linear oszillierendes Antriebsaggregat angetrieben,
doch ist für
den Fachmann unmittelbar einsichtig, dass die beschriebene Verdichterkammer
auch geeignet ist, um von einem rotierenden Motor über eine
Pleuelstange angetrieben zu werden.