DE19916993C1 - Kolben für Kältemittelverdichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben für Kältemittelverdichter, insbesondere für hermetische Motorkompressoren zum Einsatz in Kühl- und Klimageräten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Kolben für Hubkolbenverdichter durch Verringerung des Schadraumes und der oszillierenden Masse sowie Vereinfachung des Aufbaus und damit Verringerung des technologischen Aufwandes zu verbessern. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben für Kältemittelverdichter, der innerhalb eines Zylinders, dessen Verdichtungsraum über ein Einlaßventil mit einer Saugleitung verbunden ist, mit einer hin- und hergehenden Pleuelstange starr verbunden angeordnet ist, eine an der Zylinderinnenwand anliegende Dichtlippe aufweist und über einen Strömungskanal für das Kältemittel mit einem Ventil verfügt, das den Strömungskanal während des Verdichtungshubes öffnet und während des Ansaughubes schließt. An der hin- und hergehenden Pleuelstange ist ein glockenförmig ausgebildetes Führungselement starr befestigt, das über einen zylindrisch ausgebildeten, axial angeordneten Mantelbereich verfügt. An der zum Verdichtungsraum weisenden Seite des Führungselementes ist diesem radial überragend ein plan ausgebildeter Kolbenboden angeordnet. Die dem Kolbenboden abgewandte Kante des zylindrischen Bereiches des Führungselementes ist umlaufend zur Zylinderinnenwand hin abgewinkelt. Das Führungselement ist von einem an der zylindrischen Mantelfläche gleitfähig angeordneten Dichtring umgeben, der über eine umlaufend ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben für Kältemittelverdichter, insbesondere für hermetische Motorkompressoren zum Einsatz in Kühl- und Klimageräten.

Herkömmliche Hubkolbenkompressoren bedienen sich eines Kolbens, der mittels eines Kolbenbolzens drehbar an einer Pleuelstange befestigt ist und in einem Zylinder axial oszilliert. Es sind ebenfalls Lösungen bekannt, die anstelle eines Kolbenbolzens eine fest mit der Pleuelstange verbundene Kugel zur Befestigung des Kolbens verwenden. Es ist ferner bekannt, daß die Umwandlung der rotierenden Bewegung der Motorwelle in die oszillierende Bewegung des Kolbens mit Hilfe einer Kurbelschleife erfolgt.

Die Nachteile dieser Bauarten liegen darin, daß bei der Übertragung der Kolbenkräfte auf die Pleuelstange in Abhängigkeit vom gewählten Schubstangenverhältnis eine auf die Zylinderlauffläche wirkende Normalkraft entsteht, die zu Reibung und somit er­ höhtem Verschleiß führt, und die in Richtung der Pleuelachse wirkende Stangenkraft deutlich größer als die Kolbenkraft ist. Die nicht kompensierbaren oszillierenden Mas­ sen sind auch bei Verwendung von Materialien mit geringer Dichte von erheblicher Größe. Insbesondere bei der Verwendung von Kältemittel mit hoher Energiedichte wie z. B. Kohlendioxid (CO₂) treten auch bei kleinen Kolbendurchmessern hohe Kolben­ kräfte auf, die nur schwer zuverlässig auf die Pleuelstange übertragbar sind und eben­ falls zu hohen Normalkräften und damit einer hohen Verschleißanfälligkeit führen. Darüber hinaus ist es insbesondere bei Kompressoren mit kleinen Zylinderdurchmes­ sern problematisch, die Arbeitsventile im Zylinderkopf unterzubringen, da wegen der eingeschränkten Platzverhältnisse die realisierbaren Ventildurchmesser limitiert sind und zusätzliche, mit höheren Energieaufwendungen verbundene Druckverluste die Fol­ ge sind.

Gegenüber diesen herkömmlichen Bauarten sind bereits Hubkolbenverdichter bekannt, deren Kolben starr mit der Pleuelstange verbunden sind, wodurch insbesondere die Übertragung der Kolbenkraft auf die Pleuelstange verbessert wird, da kritische Bauele­ mente wie Kolbenbolzen oder Pleuelstange mit Kugel vermieden werden und Normal­ kräfte nicht entstehen. Einen bekannten Kolbenverdichter für gasförmige Medien dieser Bauart offenbart die deutsche Erfindungsbeschreibung DE 44 29 097 A1. Danach ist ein Kolben fest mit einer hin- und hergehenden Kolbenstange verbunden, die an einer von einem Elektromotor angetriebenen Kurbelwelle angelenkt ist. Der Kolben weist ein integriertes Einlaßventil ohne Ventilfeder auf. Er besteht aus einem mit der Kolbenstan­ ge fest verbundenen scheibenförmigen Kolbenteller, auf dem mittels einer Schraube ein stufig ausgeführtes Mittelteil koaxial befestigt ist. Eine Stufe des Mittelteils klemmt einen Kolbenkopf am Kolbenteller fest, wobei das Mittelteil ein hülsenförmiges Ring­ teil zur Zentrierung des Kolbenkopfes aufweist. Der Kolbenkopf besteht aus Kunststoff, vornehmlich aus Polytetrafluorethylen. Er weist eine axiale Aussparung auf, durch die das hülsenförmige Ringteil geführt ist. In der Stirnfläche des Kolbenkopfes befindet sich nahe der Peripherie eine Ringnut, so daß außerhalb der Ringnut eine umlaufende Dichtlippe ausgebildet ist, die an der Zylinderinnenwand anliegt. In die Ringnut ist ein Wendelfederring eingesetzt. Zusätzlich ist in den Kolbenkopf koaxial und mit gleichem Radius wie die Ringnut ein Metallring eingebettet. Kolbenteller und Kolbenkopf sind mit koaxial und zueinander axial angeordneten Durchlaßöffnungen versehen. Auf dem aus den Durchlaßöffnungen gebildeten Ring liegt ein von dem Mittelteil gehaltener, entlang des Mittelteils axial beweglicher ringförmiger Einlaßventildeckel auf. Die Ein­ laßöffnung für das zu komprimierende Gas befindet sich an einer geeigneten Stelle des Kurbelgehäuses. Ein federbelastetes Auslaßventil, über das der Verdichtungsraum mit einem Auslaßstutzen verbunden ist, ist im Zylinderkopf angeordnet.

Beim Aufwärtshub des Kolbens wird das im Verdichtungsraum des Zylinders befindli­ che Gas komprimiert. Dabei liegt der Einlaßventildeckel durch den Verdichtungsdruck bewirkt auf den Durchlaßöffnungen auf, so daß kein Gas durch den Kolben strömt. Der Ausstoß des komprimierten Gases erfolgt nach Öffnung des im Zylinderkopf angeord­ neten Auslaßventils. Der Öffnungszeitpunkt wird bestimmt durch das Verhältnis der vom Gasdruck verursachten Kraft zur Federkraft, mit der das Auslaßventil beaufschlagt ist. Nach Erreichen des oberen Totpunkts geht der Kolben in den Rückhub über. Da das Auslaßventil nach Ausstoß des komprimierten Gases schließt, entsteht mit der Rück­ hubbewegung des Kolbens im Verdichtungsraum des Zylinders ein Unterdruck, wo­ durch der Einlaßventildeckel von den Durchlaßöffnungen abgehoben wird und Gas durch die Einlaßöffnung im Kurbelgehäuse, das Kurbelgehäuse und die Durchlaßöff­ nungen im Kolben in den Verdichtungsraum des Zylinders gesaugt wird. Bei Erreichen des unteren Totpunkts geht der Kolben wieder in den Aufwärtshub über, so daß der An­ saugvorgang beendet und der Verdichtungsvorgang erneut begonnen wird, indem der Einlaßventildeckel durch den sich aufbauenden Überdruck im Verdichtungsraum des Zylinders gegen die Durchlaßöffnungen gepreßt wird. Die Trennung zwischen dem Verdichtungsraum und dem Kurbelgehäuse übernimmt die Dichtlippe an der Peripherie des Kolbenkopfes. Die Andrückkraft der Dichtlippe an der Zylinderinnenwand wird unterstützt durch die Wendelfeder und den im Verdichtungshub eine Spreizung der Ringnut bewirkenden Gasdruck.

Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist, daß die konstruktiv bedingte unebene Stirn­ fläche des Kolbens den Schadraum unnötig vergrößert, indem der einen Axialhub aus­ führende Einlaßventildeckel stirnseitig angeordnet ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß insbesondere bei hermetischen Motorkompressoren ein Ansaugen des Käl­ temittels durch das Kurbelgehäuse eine Aufheizung des Kältemittels bereits vor der Verdichtung bedeutet. Darüber hinaus stellt der Aufbau mit den drei koaxial angeord­ neten Bauteilen Mittelteil, Kolbenkopf und Ventildeckel in Verbindung mit deren Ver­ schraubung mit dem Kolbenteller sowie die Einlage des Wendelfederrings einen relativ hohen Aufwand bei der Montage dar. Nachteilig ist ferner, daß der Einlaßventildeckel als separates Bauteil die oszillierende Masse erhöht.

Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, Kolben für Hubkolbenverdichter durch weitere Verringerung des Schadraumes und der oszillierenden Masse sowie Vereinfachung des Aufbaus und damit Verringerung des technologischen Aufwandes zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben für Kältemittelverdichter, der innerhalb eines Zylinders, dessen Verdichtungsraum über ein Einlaßventil mit einer Saugleitung verbunden ist, mit einer hin- und hergehenden Pleuelstange starr verbunden angeordnet ist, eine an der Zylinderinnenwand anliegende Dichtlippe aufweist und über einen Strömungskanal für das Kältemittel mit einem Ventil verfügt, das den Strömungskanal während des Verdichtungshubes öffnet und während des Ansaughubes schließt. An der hin- und hergehenden Pleuelstange ist ein glockenförmig ausgebildetes Führungsele­ ment starr befestigt, das über einen zylindrisch ausgebildeten, axial angeordneten Man­ telbereich verfügt. An der zum Verdichtungsraum weisenden Seite des Führungsele­ mentes ist dieses radial überragend ein plan ausgebildeter Kolbenboden angeordnet. Die dem Kolbenboden abgewandte Kante des zylindrischen Bereiches des Führungsele­ mentes ist umlaufend zur Zylinderinnenwand hin abgewinkelt. Das Führungselement ist von einem an der zylindrischen Mantelfläche gleitfähig angeordneten Dichtring umge­ ben, der über eine umlaufend an der Zylinderinnenwand anliegende Kante verfügt. Der Dichtring besteht aus Kunststoff, vorzugsweise wird Polytetrafluorethylen verwendet.

Das Führungselement ist mit Durchgängen versehen, deren verdichtungsraumseitige Öffnungen während des Verdichtungshubes von dem Dichtring freigegeben und wäh­ rend des Ansaughubes abgedeckt sind. Der Kurbelraum des Verdichters ist mit einem Druckgasausgang verbunden.

Vorteilhaft ausgestaltet ist die erfindungsgemäße Lösung dadurch, daß die Länge der Pleuelstange etwa das achtfache des Kurbelradius beträgt. Damit liegt die Pendelbewe­ gung des Pleuels und damit die maximale Neigung des Kolbens gegen die Zylinderach­ se etwa bei 15°.

Durch das starre Befestigen des Kolbenbodens an der Pleuelstange entspricht die Kol­ benkraft der Stangenkraft, so daß aus den Prozeßkräften keine einen Verschleiß verur­ sachende Normalkraft entsteht. Die Stangenkraft ist niedriger als bei herkömmlichen Triebwerksgestaltungen. Die Folge ist ein geringerer Momentenbedarf des Antriebs­ motors. Da der Dichtring extrem gleitfähig und seine an der Zylinderinnenwand anlie­ gende Fläche aufgrund der Ausgestaltung als Lippe klein ist, sind die zwischen Kolben und Zylinder entstehenden Reibungsverluste minimal. Die Reibung ist dennoch ausrei­ chend, das axiale Schwingungsverhalten des Dichtringes zu unterbinden, wodurch die Funktion des Dichtrings als Druckventil prellfrei erfüllt wird, ohne daß eine Ventilfeder erforderlich ist, da die Massenkraft des Dichtrings die Federwirkung zum Schließen des Ventils ausübt. Die Hubspaltfläche des mittels des Dichtringes realisierten Druckventils kann aufgrund seiner Lage außerhalb des Verdichtungsraumes ohne Vergrößerung des Schadraumes so groß gewählt werden, daß die Strömungsverluste minimal bleiben. Die Reduzierung der oszillierenden Masse im Vergleich zu herkömmlichen Triebwerksge­ staltungen auf ¹/₁₅ bis ¹/₃₅ bewirkt neben einer Reduzierung des Herstellungsaufwandes eine merkliche akustische Verbesserung beim Betrieb von Hubkolbenverdichtern. Ein mit dem Saugventil im Zylinderkopf und dem Druckventil im Kolben realisierter Gleichstromverdichter zeichnet sich aus durch die nahezu vollständige Vermeidung der Aufheizung des Sauggases auf dessen Weg in den Zylinder. Die vollständig plan aus­ führbare Stirnfläche des Kolbens sichert ein minimales Schadvolumen bei der Ver­ dichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Kolben nach der Erfindung in schematisierter Schnittdarstellung.

Die Zeichnung zeigt Zylinderwände 7 eines Hubkolbenkompressors, zwischen denen ein erfindungsgemäßer Kolben oszilliert. Die Hubbewegungen sind durch gestrichelt gezeichnete Pfeile angedeutet. Demnach symbolisiert die linke Seite der Zeichnung den Kolben während des Verdichtungs- und die rechte Seite den Kolben während des An­ saughubes. Der Zylinder verfügt über einen Zylinderkopf, der mit einer Saugleitung verbunden und in dem ein geeignetes Ansaugventil angeordnet ist. Der Kolben besteht aus einem Führungselement 2, das glockenförmig ausgebildet und starr mit einer Pleu­ elstange 1 an deren von der Kurbel abgewandten Seite verbunden ist, und einem Kol­ benboden 3, der fest mit dem Führungselement 2 verbunden ist. Es ist technologisch gleichermaßen möglich, Pleuelstange 1 und Führungselement 2 einteilig zu fertigen. Die Pleuelstange 1 ist an einer von einem Elektromotor angetriebenen Kurbel angelenkt. Das Führungselement 2 verfügt über eine ringförmige Stirnseite, an der der Kolbenbo­ den 3 flächig befestigt ist. Der Durchmesser des Kolbenbodens 3 ist kleiner als der Durchmesser der Zylinderbohrung, um ein Verklemmen des Kolbens mit der Zylinde­ rinnenwand 7 zu vermeiden, da der starr mit der Pleuelstange 1 verbundene Kolben mit der Kurbelumdrehung axial pendelt. Der Durchmesser des Führungselements 2 ist wie­ derum kleiner als der Durchmesser des Kolbenbodens 3, wobei das Führungselement 2 von der ringförmigen Stirnfläche ausgehend an seiner Peripherie koaxial und zylin­ drisch zur Pleuelstange 1 und derart als zur Zylinderinnenwand weisende Gleitfläche 4 ausgebildet ist. Der zylindrisch ausgebildete Gleitflächenbereich 4 des Führungsele­ ments 2 ist mit über die gesamte Mantelfläche winkelgleich verteilten Durchgangsöff­ nungen 8 versehen. Der Gleitflächenbereich 4 wird begrenzt durch durch die Rückseite des über das Führungselement 2 ragenden Peripheriebereiches des Kolbenbodens 3 ei­ nerseits und eine umlaufend zur Zylinderinnenwand 7 hin abgewinkelte Kante 5, die als Hubfänger dient, andererseits. Um den zylindrischen Bereich 4 des Führungselements 2 ist ein Dichtring 6 aus Polytetrafluorethylen gelegt, der über eine erste an der Gleitflä­ che 4 und eine zweite an der Zylinderinnenwand 7 anliegende Gleitkante verfügt. Die zur Rückseite des Kolbenbodens 3 weisende Seite des Dichtrings 6 ist eben ausgebildet.

In Abhängigkeit von der Hubrichtung des Kolbens ändert der Dichtring 6 aufgrund ei­ ner größeren Reibung an der Zylinderinnenwand 7 als an der Gleitfläche 4 seine Positi­ on. Zum Ende des Verdichtungshubes befindet sich der Dichtring 6 im Anschlag mit dem Hubfänger 5 und gibt einen Hubspalt 9V frei. Diesen Zustand symbolisiert die lin­ ke Seite der Zeichnung. Durch die Auswahl von Dichtringen 6 nach ihrer Gleitfähigkeit oder durch entsprechende Oberflächenausführung der Gleitfläche 4 ist es möglich, den Öffnungszeitpunkt zu variieren. Bei geöffnetem Hubspalt 9V kann das komprimierte Kältemittel aus dem Verdichtungsraum 10 durch den Hubspalt 9V und die Durch­ gangsöffnungen 8 in den Kurbelraum 11 strömen. Der Kurbelraum 11 ist geeignet, bei­ spielsweise über den Motorraum, mit dem Druckgasausgang des Kompressors verbun­ den. Die rechte Seite der Zeichnung zeigt die Position des Dichtrings 6 während des Ansaughubes des Kolbens. Der Dichtring 6 liegt flächig an der Rückseite des Kolben­ bodens 3 an. Dadurch ist kein Hubspalt 9V gegeben und die Durchgangsöffnungen 8 sind verschlossen, so daß Kältemittel in den Verdichtungsraum 10 gesaugt wird.

Die Ausbildung des Dichtringes 6 mit je einer an der Zylinderinnenwand 7 und einer an der Gleitfläche 4 anliegenden Dichtlippe bewirkt eine Gleitfähigkeit an den jeweiligen Flächen, die auch bei größter Neigung der Pleuelstange 1 gegenüber der Zylinderachse und damit größter Kippneigung des Kolbens die Abdichtung des Verdichtungsraumes 10 gegen das Kurbelgehäuse zwischen Kolben und Zylinderinnenwand 7 und die Funk­ tion des Dichtrings 6 als Druckventil sichert.

Claims (2)

1. Kolben für Kältemittelverdichter, der innerhalb eines Zylinders, dessen Verdich­ tungsraum über ein Einlaßventil mit einer Saugleitung verbunden ist, mit einer hin- und hergehenden Pleuelstange starr verbunden angeordnet ist, eine an der Zylin­ derinnenwand anliegende Dichtlippe aufweist und über einen Strömungskanal für das Kältemittel mit einem Ventil verfügt, das den Strömungskanal während des Verdichtungshubes öffnet und während des Ansaughubes schließt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der hin- und hergehenden Pleuelstange (1) ein glockenförmig aus­ gebildetes Führungselement (2) starr befestigt ist, das über einen zylindrisch ausge­ bildeten, axial angeordneten Mantelbereich (4) verfügt, an der zum Verdichtungs­ raum (10) weisenden Seite des Führungselementes (2) dieses radial überragend ein plan ausgebildeter Kolbenboden (3) angeordnet ist, die dem Kolbenboden (3) abge­ wandte Kante des zylindrischen Bereiches (4) des Führungselementes (2) umlaufend zur Zylinderinnenwand (7) hin abgewinkelt (5) ist, das Führungselement (2) von ei­ nem an der zylindrischen Mantelfläche (4) gleitfähig angeordneten Dichtring (6) umgeben ist, der über eine umlaufend an der Zylinderinnenwand (7) anliegende Kante verfügt, das Führungselement (2) mit Durchgängen (8) versehen ist, deren verdichtungsraumseitige Öffnungen während des Verdichtungshubes von dem Dichtring (6) freigegeben und während des Ansaughubes abgedeckt sind und der Kurbelraum (11) des Verdichters mit einem Druckgasausgang verbunden ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Pleuelstange (1) etwa das achtfache des Kurbelradius beträgt.