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Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter, insbesondere einen Hubkolbenverdichter zum Verdichten von CO2, das als Arbeitsmedium für eine Kühlanlage bzw. Klimaanlage genutzt wird.
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Üblicherweise wird das zu komprimierende Gas in einen Hubkolbenkompressor durch ein Einlassventil in einen Arbeitszylinder geleitet, darin durch einen Kolben komprimiert und über ein Auslassventil ausgestoßen. Durch die Komprimierung des Gases entsteht Wärme, die vom ausströmenden Gas an das Gehäuse, insbesondere einen Ventildeckel, des Hubkolbenverdichters abgegeben wird. Dieser Wärmeübergang ist erwünscht, um die Betriebstemperatur des Hubkolbenverdichters, die bei etwa 80° C liegt, aufrecht zu erhalten. Dabei besteht allerdings das Problem, dass das auf der Druckseite des Hubkolbenverdichters strömende Gas seine Wärme nicht nur an das Gehäuse des Hubkolbenverdichters, sondern über das Gehäuse auch an das auf der Saugseite in den Arbeitszylinder einströmende, entspannte Gas überträgt. Somit wird das in den Arbeitszylinder einströmende Gas vorgeheizt und der Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters in der Folge insgesamt reduziert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Hubkolbenverdichter anzugeben, der einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
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So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, einen Hubkolbenverdichter mit wenigstens einem Arbeitszylinder, einer den Arbeitszylinder abdeckenden Ventilplatte, die ein Gaseinlassventil und ein Gasauslassventil trägt, und einen Ventildeckel anzugeben, der gemeinsam mit der Ventilplatte einen saugseitigen Gaseinlasskanal und einen druckseitigen Gasauslasskanal bildet. Der Gaseinlasskanal ist über das Gaseinlassventil und der Gasauslasskanal über das Gasauslassventil jeweils mit dem Arbeitszylinder fluidverbunden. Der Gasauslasskanal weist ferner einen Windkessel zum Ausgleich von Druckschwankungen auf. Erfindungsgemäß ist zudem vorgesehen, dass das Volumenverhältnis zwischen einem Gasvolumen Vs des Gaseinlasskanals und einem Gasvolumen VD des Gasauslasskanals wenigstens 1:3 und höchstens 1:2 beträgt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das erfindungsgemäße Volumenverhältnis, also das sehr viel kleinere Gasvolumen VS des Gaseinlasskanals und dem relativ größeren Gasvolumen VD des Gasauslasskanals die für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsflächen relativ klein sind. Somit wird ein Wärmeübergang vom komprimierten Gas auf der Druckseite zum entspannten Gas auf der Saugseite des Hubkolbenverdichters effizient reduziert. Außerdem ist mit dem erfindungsgemäßen Volumenverhältnis sichergestellt, dass die Verweilzeit des über die Saugseite in den Arbeitszylinder einströmenden Gases im Gaseinlasskanal relativ klein ist. Dadurch wird der Wärmeübergang vom Ventildeckel in das einströmende Gas weiter reduziert und so der Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters erhöht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So ist beispielsweise vorgesehen, dass zwischen der Ventilplatte und dem Ventildeckel eine Isolierdichtung angeordnet ist. Bei der Erfindung sind der Gaseinlasskanal und der Gasauslasskanal sowohl durch den Ventildeckel, als auch die Ventilplatte begrenzt. Die Innenwand des Gaseinlasskanals und des Gasauslasskanals wird also jeweils teilweise durch den Ventildeckel und teilweise durch die Ventilplatte gebildet. Indem zwischen der Ventilplatte und dem Ventildeckel eine Isolierdichtung angeordnet ist, wird die Ventilplatte vom Ventildeckel thermisch entkoppelt, so dass über die Ventilplatte ein Wärmeübergang von der Druckseite auf die Saugseite, d.h. vom Gasauslasskanal zum Gaseinlasskanal, weitgehend vermieden wird.
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Erfindungsgemäß bildet der Gasauslasskanal einen Windkessel zum Ausgleich von Druckschwankungen. Mit anderen Worten stellt der Gasauslasskanal ein relativ großes Volumen bereit, das als Puffer zwischen dem Arbeitszylinder und einer nachfolgenden Gasleitung dient. Die Windkesselfunktion kann verbessert genutzt werden, wenn mit dem Windkessel nicht nur ein einzelner Arbeitszylinder, sondern mehrere, vorzugsweise zwei Arbeitszylinder, fluidverbunden sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Ventildeckel wenigstens zwei in einer Zylinderbank angeordnete Arbeitszylinder übergreift und der Gaseinlasskanal und der Gasauslasskanal jeweils mit beiden Arbeitszylindern fluidverbunden sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichter nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
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2 einen Querschnitt durch einen Ventildeckel und eine Ventilplatte des Hubkolbenverdichters gemäß 1;
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3 eine perspektivische Ansicht des Ventildeckels gemäß 2;
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4 eine räumliche Darstellung des Gasvolumens VD des Gasauslasskanals im Ventildeckel gemäß 3; und
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5 eine räumliche Darstellung des Gasvolumens VS des Gaseinlasskanals im Ventildeckel gemäß 3.
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Der Hubkolbenverdichter gemäß 1 weist ein Gehäuse 1 mit einer Trennwand 2 auf, die das Gehäuse 1 in einen Antriebsraum 3 und einen Verdichterraum 4 teilt. Im Verdichterraum 4 ist eine Maschinenwelle 5 drehbar gelagert, die sich weiter in den Antriebsraum 3 erstreckt und im Antriebsraum 3 mit einem Elektromotor 6 gekoppelt ist. Die Maschinenwelle 5 überträgt die Antriebskraft des Elektromotors 6 an mehrere Kolben 12, die in Arbeitszylindern 10 laufen. Die Arbeitszylinder 10 sind jeweils paarweise in einer Zylinderbank 11 angeordnet. Mit anderen Worten weist jede Zylinderbank 11 zwei Arbeitszylinder 10 auf.
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Ferner ist jeder Zylinderbank 11 ein Ventildeckel 30 zugeordnet, der das Ventilsystem 13 jedes einzelnen Arbeitszylinders 10 schützend umgibt, d.h. der Ventildeckel 30 übergreift beide Arbeitszylinder 10 einer Zylinderbank 11. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Hubkolbenverdichter drei Zylinderbänke 11 mit jeweils zwei Arbeitszylindern 10, also insgesamt sechs Arbeitszylinder 10 auf.
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Wie in
2 gut erkennbar ist, umfasst das Ventilsystem
13 eine Ventilplatte
20, in der ein Gaseinlassventil
21 angeordnet ist. Das Gaseinlassventil
21 ist als Ringventil ausgebildet, das eine Ringnut
24 in der Ventilplatte
20 umfasst, wobei sich die Ringnut
24 im Wesentlichen konzentrisch um das Gasauslassventil
22 erstreckt. Die Ringnut
24 ist zum Arbeitszylinder
10 hin mit einer Ventilmembran
27 abgedeckt. Ferner ist ein Gasauslassventil
22 vorgesehen, das einen federvorgespannten, kuppelförmigen Ventilkörper
23 aufweist. Das dargestellte Ventilsystem
13 ist im Detail in der auf die Anmelderin zurückgehenden, nachveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2011 056 904.9 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich, insbesondere im Umfang der Seiten 3 bis 6, in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Aus 2 ist ebenfalls zu erkennen, dass der Ventildeckel 30 in eine Hochdruckseite bzw. Druckseite 8 und eine Niederdruckseite bzw. Saugseite 7 unterteilbar ist. Die Saugseite 7 umfasst den Gaseinlasskanal 31 und das Gaseinlassventil 21, wogegen die Druckseite 8 das Gasauslassventil 22 und den Gasauslasskanal 23 umfasst. Der Gaseinlasskanal 31 erstreckt sich ringförmig um einen ventilseitigen Abschnitt 35 des Gasauslasskanals 32. Der ventilseitige Abschnitt 35 des Gasauslasskanals 32 bildet einen Ringkanal 36, der eine Ventilkörperaufhängung 25 umgibt. An den ventilseitigen Abschnitt 35 des Gasauslasskanals 32 schließt sich ein Windkessel 33 an, der so ausgelegt ist, dass Druckschwankungen, die durch die periodische Bewegung des Kolbens 12 im Arbeitszylinder 10 entstehen, ausgeglichen werden. Dazu weist der Windkessel 33 ein vergleichsweise großes Volumen auf.
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Wie aus 2 ebenfalls gut ersichtlich ist, bilden der Gaseinlasskanal 31 und der Gasauslasskanal 32 unterschiedlich große Querschnittsflächen. Die relativ große Querschnittsfläche des Gasauslasskanals 32 auf der Druckseite 8 des Ventildeckels 30 trägt dem zum Druckschwankungsausgleich zweckmäßigen Windkessel 33 Rechnung. Die relativ kleinen Querschnittsflächen auf der Saugseite 7, insbesondere im Bereich des Gaseinlasskanals 31, bewirken eine Reduktion des Wärmeübergangs von der Druckseite 8 auf die Saugseite 7. Aus denselben Gründen weist der Ventildeckel 30 auf der Saugseite 7 eine kleinere Höhe als auf der Druckseite 8 auf (3).
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Der Gaseinlasskanal 31 und der Gasauslasskanal 32 sind im Ventildeckel 30 als offene Kanäle ausgeführt. Im montierten Zustand sind der Gaseinlasskanal 31 und der Gasauslasskanal 32 jeweils durch die Ventilplatte 20 verschlossen. Um eine Wärmeübertragung von der Druckseite 8 auf die Saugseite 7 über die Ventilplatte 20 zu vermeiden, ist zwischen der Ventilplatte 20 und dem Ventildeckel 30 eine Isolierdichtung 26 angeordnet. Insbesondere trennt die Isolierdichtung 26 die Kontaktflächen zwischen Ventilplatte 20 und Ventildeckel 30 voneinander. Die Isolierdichtung 26 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das einen hohen Wärmedämmwert aufweist.
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In 3 ist der Ventildeckel 30 gezeigt, wobei gut erkennbar ist, dass der Ventildeckel 30 auf der Saugseite 7 eine kleinere Höhe als auf der Druckseite 8 aufweist. Der Ventildeckel 30 weist folglich auf der Saugseite 7 kleinere Wärmeübertragungsflächen und geringere Materialstärken als auf der Druckseite 8 auf.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, dass die Volumina bzw. die Wärmeübertragungsflächen auf der Saugseite 7 wesentlich kleiner als auf der Druckseite 8 sind. Zur Veranschaulichung dieses Prinzips ist in den 4 und 5 jeweils das Gasvolumen VD auf der Druckseite 8 und das Gasvolumen VS auf der Saugseite 7 in räumlicher Darstellung gezeigt. Das Gasvolumen VD auf der Druckseite 8 entspricht also dem Innenvolumen des Gasauslasskanals 32 im Ventildeckel 30. Dieses Gasvolumen VD ist in 4 gezeigt.
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Das Gasvolumen VS der Saugseite 7 entspricht dem Gasvolumen VS des Gaseinlasskanals 31 und ist in 5 dargestellt. In 4 ist gut das Volumen des ventilseitigen Abschnitts 35 des Gasauslasskanals 32 erkennbar, das in das Volumen des Windkessels 33 übergeht. In 5 ist gut zu sehen, dass das Gasvolumen VS des Gaseinlasskanals 31 abschnittsweise einen Ring bildet, der sich um das Gasvolumen VD des ventilseitigen Abschnitts 35 des Gasauslasskanals 32 erstreckt.
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Die Volumina einzelner Abschnitte der Gasführung im Ventildeckel 30 sind in den 4 und 5 zur besseren Verständlichkeit mit den Bezugszeichen der entsprechenden Bauteile bzw. Bauteilabschnitte bezeichnet, wobei die Bezugszeichen jeweils um ein Hochkomma ergänzt sind.
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Der Ventildeckel 30 ist, wie in den 3 bis 5 erkennbar ist, zur Montage auf der Zylinderbank 11 vorgesehen, die zwei Arbeitszylinder 10 umfasst. Demzufolge strömt das Gas aus zwei benachbarten Arbeitszylindern 10 einer Zylinderbank 11 in einen gemeinsamen Windkessel 33. Mit anderen Worten sind die Windkessel 33 zweier benachbarter Gasauslasskanäle 32 miteinander verbunden (4). Ebenso sind die Gaseinlasskanäle 31 zweier benachbarter Arbeitszylinder 10 einer gemeinsamen Zylinderbank 11 miteinander fluidverbunden (5).
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Um den Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters durch Reduktion des Wärmeübergangs von der Druckseite 8 auf die Saugseite 7 zu erhöhen, ist bevorzugt ein Volumenverhältnis VS:VD zwischen dem Gasvolumen Vs des Gaseinlasskanals 31 und dem Gasvolumen VD des Gasauslasskanals 32 vorgesehen, das wenigstens 1:2,9, insbesondere wenigstens 1:2,8, insbesondere wenigstens 1:2,7, insbesondere wenigstens 1:2,6, beträgt. Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn das Volumenverhältnis VS:VD zwischen dem Gasvolumen Vs des Gaseinlasskanals 31 und dem Gasvolumen VD des Gasauslasskanals 32 höchstens 1:2,1, insbesondere höchstens 1:2,2, insbesondere höchstens 1:2,3, insbesondere höchstens 1:2,4, insbesondere höchstens 1:2,5, beträgt.
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Der Wärmeübergang vom Gas auf den Ventildeckel 30 erfolgt jeweils über die Innenflächen 34 des Gaseinlasskanals 31 und des Gasauslasskanals 32, die Wärmeübertragungsflächen AS, AD bilden. Vorzugsweise ist die Wärmeübertragungsfläche AS auf der Saugseite 7, also im Gaseinlasskanal 31, wesentlich kleiner als die Wärmeübertragungsfläche AD auf der Druckseite 8, also im Gasauslasskanal 32. Das Flächenverhältnis AS:AD zwischen der Wärmeübertragungsfläche AS des Gaseinlasskanals 31 und der Wärmeübertragungsfläche AD des Gasauslasskanals 32 beträgt vorzugsweise zwischen 1:2 und 1:3, insbesondere zwischen 1:2,5 und 1:2,75.
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Bezugszeichenliste
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Trennwand
- 3
- Antriebsraum
- 4
- Verdichterraum
- 5
- Maschinenwelle
- 6
- Elektromotor
- 7
- Saugseite
- 8
- Druckseite
- 10
- Arbeitszylinder
- 11
- Zylinderbank
- 12
- Kolben
- 13
- Ventilsystem
- 20
- Ventilplatte
- 21
- Gaseinlassventil
- 22
- Gasauslassventil
- 23
- Ventilkörper
- 24
- Ringnut
- 25
- Ventilkörperaufhängung
- 26
- Isolierdichtung
- 27
- Ventilmembran
- 30
- Ventildeckel
- 31
- Gaseinlasskanal
- 32
- Gasauslasskanal
- 33
- Windkessel
- 34
- Innenfläche
- 35
- ventilseitiger Abschnitt
- 36
- Ringkanal
- VS
- Gasvolumen der Saugseite (Gaseinlasskanal 31)
- VD
- Gasvolumen der Druckseite (Gasauslasskanal 32)
- AS
- Wärmeübertragungsfläche der Saugseite (Gaseinlasskanal 31)
- AD
- Wärmeübertragungsfläche der Druckseite (Gasauslasskanal 32)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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