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Dokumentenidentifikation DE10342421A1 07.04.2005
Titel Tauchkolbenverdichter für Kältemittel
Anmelder Danfoss A/S, Nordborg, DK
Erfinder Süss, Jürgen, Soenderborg, DK
Vertreter Patentanwälte Knoblauch und Knoblauch, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 13.09.2003
DE-Aktenzeichen 10342421
Offenlegungstag 07.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.04.2005
IPC-Hauptklasse F04B 35/04
IPC-Nebenklasse F04B 39/12   
Zusammenfassung Es wird ein Tauchkolbenverdichter (1) für Kältemittel angegeben, insbesondere für CO2, mit einem kapselartigen Gehäuse, das einen Verdichterblock (2) mit einem einen Zylinder (13) aufweisenden Verdichtungsabschnitt als erstes Gehäuseelement und ein Unterteil (3) als zweites Gehäuseelement aufweist, wobei der Verdichterblock (2) und das Unterteil (3) miteinander verbunden sind und einen geschlossenen Innenraum (17) begrenzen, und mit einem im Innenraum (17) angeordneten Motor (25) mit einer Antriebswelle (23).
Man möchte einen Hochdruck-Kältemittelverdichter angeben, der einfach im Aufbau und kostengünstig in der Herstellung ist.
Hierzu ist vorgesehen, daß die Antriebswelle (23) nur auf einer Seite des Motors (25) gelagert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Tauchkolbenverdichter für Kältemittel, insbesondere für CO2, mit einem kapselartigen Gehäuse, das einen Verdichterblock mit einem einen Zylinder aufweisenden Verdichtungsabschnitt als erstes Gehäuseelement und ein Unterteil als zweites Gehäuseelement aufweist, wobei der Verdichterblock und das Unterteil miteinander verbunden sind und einen geschlossenen Innenraum begrenzen, und mit einem im Innenraum angeordneten Motor mit einer Antriebswelle.

Ein derartiger Kältemittelverdichter ist aus US 2 583 583 bekannt. Der Motor ist klemmend im Unterteil gehalten. Die Antriebswelle des Motors ist sowohl im Unterteil als auch im Verdichterblock gelagert. Am Verdichterblock ist ein Zylinder befestigt, in dem ein Kolben hin und her beweglich angeordnet ist. Der Kolben wird über eine Pleuelstange von der Antriebswelle angetrieben.

Ein anderer Kältemittelverdichter ist aus DE 195 16 811 C2 bekannt. Dieser Verdichter ist von einer relativ dünnwandigen Kapsel umschlossen. Die damit einhergehende Druckfestigkeit läßt lediglich die Verwendung von herkömmlichen Kältemitteln zu, beispielsweise teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, z.B. R134a, oder die noch weniger Treibhauspotential aufweisenden Kohlenwasserstoffe, wie Propan oder Isobutan. Solche Kältemittelverdichter weisen relativ niedrige Arbeitsdrücke auf, die beispielsweise saugseitig kleiner als 5 bar sind. Um die Vibrationen, die durch die oszillierende Bewegung der Kolbenmasse entstehen, von der Kapsel und somit von der Außenwelt zu entkoppeln, ist der eigentliche Verdichter über eine Federanordnung in der Kapsel gelagert.

In jüngerer Zeit findet zunehmend Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel Verwendung. CO2 hat den Vorteil einer größeren Umweltverträglichkeit, insbesondere im Hinblick auf Ozon und Treibhauspotential. Neben der Unbrennbarkeit kommt als weiterer Vorteil hinzu, daß es auch thermodynamisch günstiger ist. Weiterhin weist CO2 eine wesentlich höhere volumetrische Kälteleistung auf. Dadurch verringert sich das Kältemittelvolumen, das zur Erzeugung einer bestimmten Kälteleistung erforderlich ist, wesentlich gegenüber Kältemitteln, die auf der Basis von Kohlenwasserstoffen beruhen.

Allerdings ergeben sich bei CO2-Anlagen sehr viel höhere Arbeitsdrücke. Diese können saugseitig bei bis zu 70 bar und druckseitig bei bis zu 160 bar liegen. Dementsprechend ist eine druckfeste Ausführung des Verdichters erforderlich, die ein entsprechend stabiles Gehäuse voraussetzt. Diese Forderung macht den Verdichter aufwendig und erfordert relativ hohe Kosten.

Ein ölfreier, semi-hermetischer Kolbenverdichter für kleine Kälteleistungen ist bekannt aus der Veröffentlichung "Small Oil Free Piston Type Compressor for CO2" von Heinz Baumann, veröffentlicht unter "Proceedings of the International Purdue Compressor Technology Conference 2002, Purdue, USA, C25-3". Das Verdichtergehäuse umfaßt neben dem Verdichterblock mit einem ersten Wellenlager ein zylindrisches Rohrelement, in dem der Stator des Antriebsmotors befestigt ist, ein zweites Lagerelement für die Antriebswelle und einen motorseitigen Gehäusedeckel. Die einzelnen Teile des Gehäuses liegen mit Flanschflächen aneinander an und werden durch mehrere über den Umfang verteilte Schraubenbolzen miteinander verspannt.

Ein entsprechender Verdichter, wie er aus EP 0 378 967 A1 bekannt ist, besitzt einen Verdichterblock mit vier jeweils um 90° versetzt angeordneten Zylindern. Der Verdichter weist einen sogenannten Scotch-Joke-Antrieb auf, bei dem jeweils zwei gegenüberliegende Kolben durch ein Joch miteinander verbunden sind, welches wiederum unter Zwischenschaltung eines Gleitstücks mit einem Kurbelzapfen einer Antriebswelle verbunden ist. Die Bewegungsrichtungen der beiden Gleitstücke bzw. Joche stehen hierbei senkrecht aufeinander. Jedes Kolbenpaar führt bei der Drehung der Antriebswelle eine gemeinsame Hin- und Herbewegung aus.

Ein weiterer semi-hermetischer 2-Zylinder-Kolbenverdichter mit ähnlichem Aufbau ist in "CO2-Verdichter und -Ausrüstungen", Die Kälte- und Klimatechnik 10/2002, Seiten 116 bis 123, dargestellt. Auch hier ist das Motorgehäuse an den Verdichterblock angeflanscht. Ein Verschlußdeckel ist mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Schrauben am Verdichterblock befestigt.

Die im Stand der Technik bekannten CO2-Verdichter gehen dabei von den Konstruktionsmerkmalen der herkömmlichen mehrzylindrischen semi-hermetischen Verdichter aus, die für größere Kälteleistungen ausgelegt sind und dementsprechend eine höhere mechanische Stabilität aufweisen. Die Kolben der einzelnen Zylinder werden von einer Antriebswelle bewegt, die in mindestens zwei Hauptlagern abgestützt sind. Diese Lager, die in verschiedenen Gehäuseteilen angeordnet sind, müssen bei der Montage exakt aufeinander ausgerichtet werden, was relativ aufwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdruck-Kältemittelverdichter anzugeben, der einfach im Aufbau und kostengünstig in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Tauchkolbenverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Antriebswelle nur auf einer Seite des Motors gelagert ist.

Eine Ausrichtung von unterschiedlichen Lagern auf die gleiche Antriebswelle kann damit vermieden werden. Dies vereinfacht den Aufbau. Eine einseitige Lagerung wurde bei Hochdruck-Kältemittelverdichtern bislang nicht für möglich gehalten, weil die hohen Drücke eine entsprechende Belastung der Welle und damit auch der Lagerung zur Folge haben. Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, daß man auch bei Hochdruck-Kältemitteln mit einer einseitigen Lagerung auskommt.

Vorzugsweise ist die Antriebswelle auf der Seite des Motors gelagert, die dem Verdichtungsabschnitt benachbart ist. Dadurch wird die Antriebswelle sozusagen "symmetrisch" auf beiden Seiten des Lagers belastet. Auf der einen Seite greift der Motor an. Auf der anderen Seite greift der Kurbeltrieb an. In beiden Fällen ist die Länge der Antriebswelle zwischen den Kraftangriffspunkten und dem Lager relativ kurz, so daß die Belastung des Lagers klein bleibt, auch wenn die jeweiligen Kräfte nicht genau gleich sind.

Vorzugsweise weist die Antriebswelle ein Gegengewicht auf und ein Pleuellager ist zwischen dem Gegengewicht und dem Lager angeordnet. Auch diese Maßnahme trägt dazu bei, die Belastung des Lagers klein zu halten. Der Angriffspunkt der Pleuelstange ist dem Lager so dicht wie möglich benachbart.

Auch ist von Vorteil, wenn sich der Verdichterblock und das Unterteil im Bereich ihrer Verbindung parallel zur Antriebswelle über ihren gesamten Umfang axial überlappen und die Verbindung im Überlappungsbereich ausgebildet ist. Damit ist es prinzipiell möglich, die von den hermetischen Haushalts-Kältemittelverdichtern bekannte Grundkonstruktion mit Verdichterblock, Kurbeltrieb und Antriebsmotor auf die Anforderungen eines Hochdruck-Kältemittelverdichters zu übertragen und somit einen vereinfachten Verdichter-Aufbau zu erreichen. Da CO2 als Kältemittel eine höhere volumetrische Kälteleistung als Kältemittel auf der Basis von Kohlenwasserstoffen hat, läßt sich für eine vorgegebene Leistung das Zylindervolumen und der Kolbendurchmesser verkleinern. Die dadurch verminderten oszillierenden Massen führen in Verbindung mit der erhöhten Gesamtmasse des Verdichters durch das entsprechend stabil ausgebildete Gehäuse zu einer Verdichterkonstruktion, bei der der Verdichtungsabschnitt nicht mehr mechanisch durch Federn vom Gehäuse entkoppelt werden muß. Der gesamte Verdichter arbeitet nach außen relativ vibrationsarm. Dementsprechend ist es nicht mehr erforderlich, den Verdichterblock in eine Kapsel einzuschließen, sondern man kann den Verdichterblock als Gehäuseelement verwenden, das zusammen mit dem Unterteil den Innenraum umschließt. Dies wiederum hat zur Folge, daß auch das Unterteil relativ stabil ausgebildet sein muß. Es läßt sich beispielsweise als dickwandiges Tiefziehteil durch Kaltumformen einer Stahlblechplatte mit einer Dicke von etwa 8 mm herstellen. Eine derartige Ausbildung erschwert es allerdings, radiale Flansche anzuformen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, um den Verdichterblock und das Unterteil mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilten Spannbolzen miteinander zu verbinden. Eine hermetische und unlösbare Schweißverbindung, die für sich alleine den Festigkeitsanforderungen genügen würde, würde so viel Wärme in die Konstruktion einbringen, daß Teile des Verdichters durch die entstehenden hohen Temperaturen beschädigt würden. Diese Probleme werden auf einfache Weise dadurch entschärft, daß man die beiden Gehäuseelemente ineinander steckt und in dem dabei gebildeten Überlappungsbereich miteinander verbindet. Diese Verbindung ist so stabil, daß die beiden Gehäuseelemente durch den im Innenraum herrschenden Druck nicht axial auseinandergeschoben werden können. Daneben muß sie natürlich so dicht sein, daß das im Innenraum vorliegende Gas nicht unkontrolliert ausströmen kann. Weitere Anforderungen werden an die Verbindung im Überlappungsbereich im Grunde nicht gestellt. Eine derartige Verbindung läßt sich, wie weiter unten beschrieben werden wird, relativ einfach ausbilden und zwar auch dann, wenn sowohl der Verdichterblock als auch das Unterteil mechanisch relativ stabil ausgebildet sind, also relativ große Wanddicken aufweisen.

Vorzugsweise ist die Verbindung frei von Hilfsfügeteilen. Dies vereinfacht die Montage.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist im Überlappungsbereich das eine der beiden Gehäuseelemente ein Außengewinde und das andere Gehäuseelement ein Innengewinde auf, wobei das Außengewinde und das Innengewinde miteinander in Eingriff stehen. Um die Verbindung zwischen dem Verdichterblock und dem Unterteil herzustellen, werden diese beiden Gehäuseelemente also aneinander angesetzt und dann relativ zueinander verdreht. Der Eingriff zwischen dem Außengewinde und dem Innengewinde reicht aus, um ein axiales Auseinanderschieben der beiden Gehäuseelemente auch bei höheren Drücken im Innenraum zu verhindern.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die beiden Gehäuseelemente im Überlappungsbereich radial miteinander verspannt sind. Die Verbindung erfolgt dabei zwar nur durch einen Reibschluß zwischen dem Verdichterblock und dem Unterteil. Wenn dieser Reibschluß aber durch eine ausreichende Kraft bewirkt wird, dann reicht die dadurch bewirkte Verbindung aus, um das Unterteil zuverlässig am Verdichterblock zu befestigen.

Hierbei ist bevorzugt, daß das im Überlappungsbereich radial äußere Gehäuseelement auf das radial innere Gehäuseelement aufgeschrumpft oder aufgepreßt ist. Dadurch lassen sich ausreichende Spannkräfte erzielen, so daß genügend große Druckkräfte vom äußeren Gehäuseelement auf das innere Gehäuseelement ausgeübt werden können.

Sowohl mit einer Schraubverbindung als auch mit einer Spannverbindung erreicht man insgesamt eine Hilfsfügeelement-freie und unverschweißte Verbindung des Gehäuses des Verdichters.

Vorzugsweise weist das im Überlappungsbereich radial innere Gehäuseelement einen umlaufenden radialen Flansch auf, der das im Überlappungsbereich radial aussen liegende Gehäuseelement zumindest im Bereich seines stirnseitigen Endes radial von außen stützt. Bei einem erhöhten Druck im Innenraum besteht prinzipiell die Gefahr, daß sich das Gehäuse radial aufweitet. Diese Aufweitung könnte dazu führen, daß sich das radial äußere Gehäuseelement im Überlappungsbereich aufweitet und dadurch die Länge des Überlappungsbereichs verkürzt wird, was wiederum negative Folgen für die im Überlappungsbereich herrschenden Haltekräfte hätte. Ein derartiges Aufweiten wird nun dadurch vermieden, daß das radial äußere Gehäuseelement im Bereich seines stirnseitigen Endes radial von außen festgehalten wird.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Flansch eine konische Ausnehmung aufweist und das stirnseitige Ende des im Überlappungsbereich radial außen liegenden Gehäuseelements eine entsprechend konisch abgeschrägte Stirnseite aufweist. Das außen liegende Gehäuseelement und das innen liegende Gehäuseelement kommen dadurch in einen passenden Eingriff zueinander.

Hierbei ist bevorzugt, daß das Unterteil im Überlappungsbereich radial außen angeordnet ist. Das Unterteil ist das einfacher ausgebildete Gehäuseelement, verglichen mit dem Verdichterblock. Es ist also einfacher möglich, hier ein Innengewinde zu erzeugen, weil keine Teile stören. Wenn die Verbindung als Spannverbindung ausgebildet ist und durch ein Aufschrumpfen bewirkt wird, dann ist es wesentlich einfacher, das Unterteil zu erhitzen und beim Aufschrumpfen abkühlen zu lassen, weil hier nicht die Gefahr besteht, daß Elemente des Verdichtungsabschnitts in Mitleidenschaft gezogen werden.

Hierbei ist bevorzugt, daß das Unterteil zumindest im Überlappungsbereich eine verdickte Wandstärke aufweist. Die verdickte Wandstärke erhöht die Festigkeit der Verbindung.

Vorzugsweise ist der Zylinder auf seinem gesamten Umfang vom Verdichterblock eingeschlossen. Der Verdichterblock hat von sich aus eine gewisse Stabilität, die erforderlich ist, um dem Druck im Innenraum widerstehen zu können. Diese Stabilität des Verdichterblocks macht man sich zunutze, um auch den Zylinder aufzunehmen. Im Zylinder herrschen im Betrieb die höchsten Drücke. Wenn man nun den Zylinder nicht als getrenntes Bauteil vorsieht, der mit dem Verdichterblock verbunden wird, sondern als Bohrung im Verdichterblock, dann läßt sich auf einfache Weise eine hohe mechanische Stabilität erzielen. Selbstverständlich kann man in einer derartigen Bohrung noch eine Laufbuchse unterbringen, um das Reibungsverhalten zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand zu verbessern.

Bevorzugterweise weist der Zylinder eine seitliche Öffnung auf, die mit einem vom Zylinder und einem im Zylinder verschiebbaren Kolben begrenzten Verdichtungsraum in Verbindung steht, wenn sich der Kolben in seinem unteren Totpunkt befindet. Bei bestimmten Anwendungen kann in Anlagen, die mit einem Hochdruck-Kältemittel arbeiten, insbesondere CO2, aus energetischen Gründen eine Einspeisung von Kältemittelgas in den Verdichtungsraum wünschenswert sein, dessen Druck zwischen dem Saugdruck und dem Hochdruck der Kälteanlage liegt. Dies gilt insbesondere dann, wenn man zum Bereitstellen der notwendigen Kälteleistung nicht das gesamte zuvor verdichtete Kältemittelgas entspannen muß. Mit der dargestellten Ausführung führt man dieses "Mitteldruckgas" in den Verdichtungsraum am Ende des Saughubes ein, also in einer Kolbenstellung, die in der Nähe des unteren Totpunkts liegt. Diese Art der Realisierung einer mehrstufigen Verdichtung ist bei CO2 energetisch vorteilhaft, da das Druckverhältnis des Verdichters geringer wird und dementsprechend der Wirkungsgrad steigt. Es läßt sich bei der gehäusefesten Verdichterkonstruktion besonders einfach realisieren. Das Mitteldruckgas kann dem Verdichtungsraum nämlich direkt von außen durch eine im Verdichterblock ausgebildete Bohrung zugeführt werden, deren Einmündung in den Verdichtungsraum nahezu während des gesamten Kolbenhubs durch den Kolben überdeckt ist. Lediglich bei einer Kolbenposition in der Nähe des unteren Totpunkts ist die Bohrung nicht durch den Kolben verschlossen, sondern hat eine Verbindung zum Verdichtungsraum.

Vorzugsweise ist der Zylinder an einer Stirnseite durch einen Zylinderkopf begrenzt, der eine Ansaugkammer aufweist, die mit dem Innenraum in Verbindung steht. Diese Verbindung dient dazu, daß Kältemittelgas, das sich im Innenraum ansammelt, bei einem Saughub angesaugt werden kann. Eine Überfüllung des Innenraums des Kältemittelgases wird dadurch vermieden. Der Druck im Innenraum kann dadurch auf dem Niveau des Saugdrucks gehalten werden.

Vorzugsweise sind der Verdichterblock und das Unterteil miteinander verschweißt oder verlötet, wobei sich die Schweiß- oder Lötnaht auf einen radialen Außenbereich des Gehäuses beschränkt. Die Verbindung über einen Gewindeeingriff bzw. über eine radiale Spannung kann zwar prinzipiell gasdicht gemacht werden, beispielsweise durch Verwendung einer anaerob aushärtenden Dichtungsmasse, wie Loctite 577, oder durch Einlage einer metallischen Dichtung. Eine derartige Verbindung ist aber nach wie vor lösbar, so daß es sich nur um einen semihermetisch gekapselten Verdichter handelt. Wenn man hingegen eine Schweiß- oder Lötnaht zusätzlich anbringt, dann kann man einen hermetisch gekapselten Verdichter erzielen. Die Schweiß- oder Lötnaht muß keine große mechanische Festigkeit aufweisen. Sie kann sich daher auf eine relativ dünne Schicht an der Außenseite des Gehäuses beschränken. Bei der Herstellung einer derartigen Schweiß- oder Lötnaht besteht nicht die Gefahr, daß die Temperaturen im Innern des Gehäuses nennenswert ansteigen, so daß mit einer Beschädigung von Komponenten im Innern des Gehäuses nicht mehr zu rechnen ist.

Vorzugsweise weist der Verdichterblock auf der dem Motor gegenüberliegenden Seite eine durch eine Verschlußplatte verschlossene Montageöffnung auf, durch die die Antriebswelle, Gegengewichte und Pleuelstange in den Innenraum einbringbar sind. Man kann dann das Lager einstückig mit dem Verdichterblock ausgestalten, d.h. es sind keine zusätzlichen Verbindungsmaßnahmen zwischen der Außenwand des Verdichterblocks und einem das Lager aufnehmenden Bauteil erforderlich. Das Lager ist dennoch nach wie vor von zwei Seiten aus zugänglich. Auf der dem Motor zugewandten Seite ist ohnehin keine Beschränkung vorhanden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Zugänglichkeit durch die Montageöffnung gegeben. Im Betrieb ist die Montageöffnung natürlich durch die Verschlußplatte verschlossen, die ebenfalls in den Verdichterblock eingeschraubt sein kann. Auch hier läßt sich eine anaerob aushärtende Dichtungsmasse zusätzlich verwenden. Auch die Verwendung einer zusätzlichen Schweiß- oder Lötnaht ist möglich.

Vorzugsweise ist eine Glasdurchführung in den Verdichterblock eingeschraubt, die koaxial zum Zylinder angeordnet ist. Diese Glasdurchführung erlaubt es, elektrische Leitungen des Motors mit elektrischen Zuführleitungen von außen zu verbinden, ohne die Dichtigkeit des Gehäuses aufzugeben. Wenn man die Glasdurchführung koaxial zum Zylinder anordnet, dann kann man die Bohrungen, die für den Zylinder und die Glasdurchführung erforderlich sind, herstellen, ohne daß eine Orts- oder Richtungsveränderung des Verdichterblocks in der entsprechenden Produktionsmaschine notwendig ist.

Vorzugsweise weist die Pleuelstange eine einstellbare Länge auf. Man kann dann den Totraum im Verdichtungsraum auf relativ einfache Weise einstellen. Der Kolben wird in seinen oberen Totpunkt gefahren. Die Antriebswelle wird in eine Position gedreht, die dem oberen Totpunkt des Kolbens entspricht. Die Pleuelstange wird dann genau auf die sich dadurch ergebende Länge eingestellt. Eine Anpassung des Totraums durch Verwendung von unterschiedlich dicken Dichtungen zwischen dem Zylinder und dem Zylinderkopf ist dann nicht mehr erforderlich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine perspektivische Gesamtansicht des Verdichters,

2 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform des Verdichters und

3 einen Vertikalschnitt durch einen Teil einer abgewandelten Ausführungsform des Verdichters.

1 zeigt einen einzylindrischen semi-hermetischen CO2-Verdichter 1 mit einem zentralen Verdichterblock 2, der einen Teil des Verdichtergehäuses bildet. Weitere Bauteile sind mit dem Verdichterblock 2 verbunden und begrenzen das Innere des Verdichters. Dies sind zum einen ein becher- oder glockenförmiges Unterteil 3 und eine Verschlußplatte 4, zum anderen ein Zylinderkopf 5, der eine Ventilplatte 6 mit integrierten Ansaug- und Druckkammern sowie einen Zylinderkopfdeckel 7 umfaßt. Der Verdichterblock 2 und das Unterteil 3 bilden zwei Gehäuseelemente, die zusammen mit der Verschlußplatte 4 einen Innenraum 17 begrenzen. Gezeigt sind weiterhin ein Saugstutzen 8, durch den gasförmiges Kältemittel eingesaugt wird, und ein Druckstutzen 9 zur Abgabe von verdichtetem Kältemittel. Beide Stutzen sind druckdicht mit den Öffnungen der Ventilplatte verbunden. Im Bereich des Bodens des becherförmigen Gehäuseteils 3 sind Befestigungsvorrichtungen 10 angebracht, die unter Zwischenschaltung von Gummipuffern 11 eine sichere Montage des Verdichters 1 auf einer Unterlage erlauben.

In der Schnittansicht der 2 ist der Aufbau des Verdichters aus 1 zu erkennen. Der Verdichterblock 2 bildet den oberen Teil des Verdichtergehäuses. Er besitzt einen Vorsprung 12, in dem ein Zylinder 13 ausgebildet ist. Dieser begrenzt zusammen mit einem Kolben 14 und der Ventilplatte 6 den Kompressionsraum des Verdichters 1, der hier nicht zu erkennen ist, weil sich der Kolben 14 hier in seinem oberen Totpunkt befindet.

Die Ventilplatte umfaßt neben einer Ansaugkammer 15 eine Druckkammer (nicht dargestellt) sowie Saug- und Druckgasöffnungen, die den Kompressionsraum mit Ansaug- und Druckkammer verbinden (ebenfalls im Schnitt nicht zu erkennen). Eine Druckausgleichsbohrung 16 verbindet die Ansaugkammer 15 mit dem Innenraum 17 innerhalb des Verdichtergehäuses. Der Zylinderkopfdeckel 7 schließt die Ansaugkammer 15 und die Druckkammer gegenüber der Umgebung ab. Der Deckel 7 und die Ventilplatte 6 werden dazu mit Hilfe von Schraubenbolzen 18 mit dem Verdichterblock 2 verspannt. Der Kolben 14 ist über ein Kugelgelenk 19 mit einer Pleuelstange 20 verbunden, deren kurbelseitiges Pleuelauge 21 drehbar um einen exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen 22 der Antriebswelle 23 gelagert ist. Die Antriebswelle 23 wiederum ist drehbar in einem im Verdichterblock 2 ausgebildeten Radiallager 24 gelagert und wird durch einen Motor 25 angetrieben. Im Bereich des oberen Endes weist die Antriebswelle 23 eine Durchmesservergrößerung auf, mit der sie sich auf dem Gehäuse des Radiallagers 24 axial abstützt.

Die Pleuelstange 20 ist zweigeteilt, indem ein zylindrisches Ende 60 des kolbenseitigen Teils der Pleuelstange in einer Bohrung 61 des kurbelseitigen Teils 62 der Pleuelstange 20 verschiebbar angeordnet ist. Nach der Totraumeinstellung (mit dem Kolben 14 im oberen Totpunkt, wie dargestellt) werden diese beiden Teile der Pleuelstange 20 dann in ihrer endgültigen Position festgehalten, z.B. durch eine Klemmung des kurbelseitigen Pleuelstangenteils 62 auf das zylinderseitige Ende 60. Ein sonst übliches Verfahren zur Einstellung des Totraums mit Hilfe unterschiedlicher Dicken einer zwischen Zylinderblock 2 und Ventilplatte 6 angeordneten Dichtung ist nicht erforderlich.

Der Motor 25 umfaßt einen fest mit der Antriebswelle 23 verbundenen Rotor 26 und einen Stator 27, der über nicht dargestellte Verbindungselemente am Verdichterblock 2 befestigt ist. Eine Ölpumpe 28 ist im unteren Teil einer Durchgangsbohrung 29 des Rotors 26 angeordnet und taucht mit ihrer Eintrittsöffnung 30 in den Ölsumpf 31 am Boden des Verdichtergehäuses ein. Die Ölpumpe 28 ist als Zentrifugalpumpe ausgebildet und fördert in bekannter Weise Schmieröl in eine Sacklochbohrung 32 der Antriebswelle 23 und von dort zu Öffnungen 33 in den zu schmierenden Lagerbereichen des Verdichters. Die erforderliche Ölmenge im Verdichter ist gegenüber bekannten gehäusefesten Verdichtern, aber auch gegenüber federentkoppelten Konstruktionen, wesentlich verringert, da die Eintrittsöffnung 30 der Ölpumpe sehr nahe an den Boden des becherförmigen Unterteils 3 gelegt werden kann und das Innenvolumen des Verdichters insgesamt minimiert ist.

Der Verdichterblock 2 weist an seinem oberen Ende eine Montageöffnung 34 auf, durch die bei der Montage die Antriebswelle 23, Pleuelstange 20 und Gegengewichte 35 eingeschoben werden können. Die Öffnung 34 ist an ihrer Innenwand mit einem Gewinde 36 versehen. Dadurch läßt sich die Verschlußplatte 4 in die Öffnung 34 einschrauben und diese verschließen. Eine Abdichtung kann beispielsweise durch Anwendung einer geeigneten anaerob aushärtenden Gewindedichtungsmasse, z.B. Loctite 577, sichergestellt werden. Ein Dichtschweißen durch eine umlaufende Schweißnaht, die jedoch keine große mechanische Festigkeit aufzuweisen braucht, oder ein Dichtlöten sind ebenfalls denkbar.

Der Verdichterblock 2 weist weiterhin einen Vorsprung 37 auf, in dem eine Öffnung 38 mit einem Innengewinde 39 ausgebildet ist. Die Öffnung 38 dient der Aufnahme eines Glasdurchführungselements 40 mit vom Gehäuse isolierten metallischen Stiften 50, und mündet in eine Kammer 51, die einen Teil des Innenraums 17 bildet. Durch diese Kammer 51 hindurch werden die elektrischen Versorgungsleitungen für den Antriebsmotor dem Stator 27 zugeführt. Das Gewinde 39 kann ebenfalls mit anaerob aushärtender Masse oder mit Hilfe einer Schweißung oder Lötung abgedichtet werden.

Zur Montage des Verdichters 1 wird die Antriebswelle 23 zusammen mit der Pleuelstange 20 und den Gegengewichten 35 durch die Öffnung 34 in den Verdichterblock 2 eingesetzt. Nach der Einführung des Kolbens 14 in den Zylinder 13 und der Einstellung des Totraums wird der Zylinderkopf 5 angebracht. Die Öffnungen 34 und 38 werden nun mit Hilfe des Verschlußdeckels 4 und der Glasdurchführung 40 verschlossen. Der Rotor 26 wird auf die Welle 23 aufgepreßt und die Ölpumpe 28 in den Rotor eingesetzt. Nach der Befestigung des Stators 27 am Block 2 muß der Verdichter nur noch mit dem becherförmigen Unterteil 3 verschlossen werden, das über den Motor 25 gestülpt wird und dann den Verdichterblock 2 auf einem Teil von dessen Länge axial überlappt. Der dadurch gebildete Überlappungsbereich 47 ist in Umfangsrichtung geschlossen.

Das Unterteil 3 erfordert wegen der auftretenden hohen Drücke eine ausreichende Wandstärke. Typischerweise wird es als tiefgezogenes Bauteil aus einer 8 mm dicken Stahlplatte hergestellt. Es dient der Abdeckung des Motors 25, der Aufnahme des Ölsumpfes 31, sowie als Träger für die Befestigungsvorrichtungen 10, die nahe eines Bodens 41 des Unterteils 3 angeschweißt werden können. Das Unterteil 3 weist dabei neben dem Boden 41 ein zylinderförmiges Seitenteil 42 auf, an dessen Innenseite nahe des offenen Endes des Unterteils 3 ein Innengewinde 43 ausgebildet ist. Zur Beibehaltung der notwendigen Festigkeit auch im Bereich des Innengewindes 43 ist die Wandstärke des oberen Abschnitts 44 der Seitenwand 42 erhöht. Das Innengewinde 43 wirkt mit einem am Verdichterblock 2 ausgebildeten Außengewinde 45 zusammen und wird ebenfalls mit anaerob aushärtenden Dichtmitteln, z.B. Loctite 577, abgedichtet.

Die obere Stirnfläche der Seitenwand 42 ist vorzugsweise konisch nach außen hin angefast und kommt nach vollendeter Montage zur Anlage an einer ebenfalls konischen Ausnehmung 46 an einem umlaufenden radialen Flansch 53 des Blocks 2. Die Seitenwand 42 kann sich also auch bei höheren Drücken nicht aufweiten, weil sie in der Ausnehmung von radial außen festgehalten ist. Dadurch kann das Risiko einer radialen Bewegung des becherförmigen Unterteils 3 unter der Einwirkung der hohen Drücke innerhalb des Gehäuses vermindert werden. Das Gehäuse kann dadurch Testdrücken von über 350 bar schadlos widerstehen.

Der bisher beschriebene Verdichter stellt wegen der lösbaren und abnehmbaren Gehäuseteile 3, 4, 40 und dem Zylinderkopf 5 eine semi-hermetische Konstruktion dar. Eine Hermetisierung wäre jedoch prinzipiell möglich durch Verschweißen der Spalte entlang der Verschraubungen bzw. Flansche des Zylinderkopfes. Beispielsweise kann man eine hermetische Abdichtung des becherförmigen Gehäuseteils 3 durch eine umlaufende Schweißnaht entlang der Kontaktlinie zwischen Gehäuseteil 3 und Block 2 erreichen. Hierbei werden die auftretenden Druckkräfte durch die Gewindeverschraubung aufgenommen. Die Schweißnaht hat lediglich eine Dichtungsfunktion und kann mit geringem Wärmeenergieeintrag ausgeführt werden.

3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Verdichters ohne Zylinderkopf, Unterteil und Montagedeckel. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 2 beschrieben.

Der Kolben 14 befindet sich innerhalb des Zylinders 13 in seinem unteren Totpunkt. Dementsprechend ist der Verdichtungsraum 48 in voller Größe zu erkennen. Ebenfalls zu erkennen ist, daß der Zylinder im Verdichterblock 2 angeordnet ist, genauer gesamt im Vorsprung 12, und dementsprechend in vollem Umfang vom Verdichterblock 2 unterstützt ist.

Eine Bohrung 49 mit einer Anschlußverdickung 52 ist durch den Vorsprung 12 geführt. Die Bohrung 49 mündet in den Verdichtungsraum 48 und zwar dergestalt, daß sie vom Kolben 14 freigegeben wird, wenn sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunkts befindet.

Mit einer derartigen seitlichen Bohrung ist es möglich, Kältemittelgas mit einem Druck, der zwischen dem Saugdruck und dem Hochdruck der an den Verdichter angeschlossenen Anlage liegt, in den Verdichtungsraum 48 einzuspeisen. Bei der nachfolgenden Verdichtungsbewegung verdichtet dann der Kolben 14 bereits vorverdichtetes Kältemittelgas. Diese Art der Realisierung einer mehrstufigen Verdichtung ist energetisch vorteilhaft. Da das Druckverhältnis des Verdichters geringer wird, steigt dessen Wirkungsgrad. Es läßt sich hier besonders einfach realisieren, weil die Bohrung 49 durch den Verdichterblock 2 unmittelbar nach außen geführt werden kann. Sobald ein Verdichtungshub beginnt, wird die Bohrung 49 verschlossen. Eine Druckerhöhung außerhalb des Verdichtungsraums 48 ist somit praktisch ausgeschlossen.


Anspruch[de]
  1. Tauchkolbenverdichter für Kältemittel, insbesondere für CO2, mit einem kapselartigen Gehäuse, das einen Verdichterblock mit einem einen Zylinder aufweisenden Verdichtungsabschnitt als erstes Gehäuseelement und ein Unterteil als zweites Gehäuseelement aufweist, wobei der Verdichterblock und das Unterteil miteinander verbunden sind und einen geschlossenen Innenraum begrenzen, und mit einem im Innenraum angeordneten Motor mit einer Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (23) nur auf einer Seite des Motors (25) gelagert ist.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (23) auf der Seite des Motors (25) gelagert ist, die dem Verdichtungsabschnitt benachbart ist.
  3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (23) ein Gegengewicht (35) aufweist und ein Pleuellager (21) zwischen dem Gegengewicht (35) und dem Lager (24) angeordnet ist.
  4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verdichterblock (2) und das Unterteil (3) im Bereich ihrer Verbindung parallel zur Antriebswelle (23) über ihren gesamten Umfang axial überlappen und die Verbindung im Überlappungsbereich (47) ausgebildet ist.
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung frei von Hilfsfügeteilen ist.
  6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Überlappungsbereich (47) das eine der beiden Gehäuseelemente ein Außengewinde (45) und das andere Gehäuseelement ein Innengewinde (43) aufweist, wobei das Außengewinde (45) und das Innengewinde (43) miteinander in Eingriff stehen.
  7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuseelemente im Überlappungsbereich (47) radial miteinander verspannt sind.
  8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das im Überlappungsbereich (47) radial äußere Gehäuseelement auf das radial innere Gehäuseelement aufgeschrumpft oder aufgepreßt ist.
  9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im Überlappungsbereich (47) radial innere Gehäuseelement einen umlaufenden radialen Flansch (53) aufweist, der das im Überlappungsbereich (47) radial außen liegende Gehäuseelement zumindest im Bereich seines stirnseitigen Endes radial von außen stützt.
  10. Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (53) eine konische Ausnehmung (46) aufweist und das stirnseitige Ende des im Überlappungsbereich (47) radial außen liegenden Gehäuseelements eine entsprechend konisch abgeschrägte Stirnseite aufweist.
  11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (3) im Überlappungsbereich (47) radial außen angeordnet ist.
  12. Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (3) zumindest im Überlappungsbereich (47) eine verdickte Wandstärke aufweist.
  13. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (13) auf seinem gesamten Umfang vom Verdichterblock (2) eingeschlossen ist.
  14. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (13) eine seitliche Öffnung (49) aufweist, die mit einem vom Zylinder (13) und einem im Zylinder (13) verschiebbaren Kolben (14) begrenzten Verdichtungsraum (48) in Verbindung steht, wenn sich der Kolben (14) in seinem unteren Totpunkt befindet.
  15. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (13) an einer Stirnseite durch einen Zylinderkopf (5) begrenzt ist, der eine Ansaugkammer (15) aufweist, die mit dem Innenraum (17) in Verbindung steht.
  16. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterblock (2) und das Unterteil (3) miteinander verschweißt oder verlötet sind, wobei sich die Schweiß- oder Lötnaht auf einen radialen Außenbereich des Gehäuses beschränkt.
  17. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterblock (2) auf der dem Motor (25) gegenüberliegenden Seite eine durch eine Verschlußplatte (4) verschlossene Montageöffnung (34) aufweist, durch die die Antriebswelle (23), Gegengewichte (35) und Pleuelstange (20) in den Innenraum (17) einbringbar sind.
  18. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasdurchführung (40) in den Verdichterblock (2) eingeschraubt ist, die koaxial zum Zylinder (13) angeordnet ist.
  19. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange (20) eine einstellbare Länge aufweist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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