[0001] Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere für Kolbenkompressoren,
Pumpen oder dgl., mit einem Bauteil, der eine von einem Fluid durchströmbare Durchtrittsöffnung
enthält, und einem Ventilkörper, der mit einem die Durchtrittsöffnung umgebenden Ventilsitz
zusammenwirkt.
[0002] Bisherige, z.B. bei Kolbenkompressoren verwendete Ventilanordnungen dieser Art weisen
je eine ringförmige oder mit konzentrischen Schlitzen versehene Ventilplatte auf,
die zusammen mit einer Federplatte durch eine zentrale Schraube oder z.B. durch drei
entsprechende, über das Ventil verteilte Befestigungselemente zwischen einem auf
die Durchtrittsöffnung aufsetzbaren Ventilsitzteil und einer gegen diesen verspannbaren
Halteplatte eingespannt sind, wobei der Ventilsitzteil und die Halteplatte mit vom
Fluid durchströmbaren Durchbrüchen versehen sind.
[0003] Diese bekannten, mehrteiligen Ventilkonstruktionen erfordern jeweils einen relativ
grossen Einbauraum sowie einen relativ grossen Arbeitsaufwand beim Zusammenbau und
beim Einbau des Ventils.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in dieser Hinsicht verbesserte Ventilanordnung
in einer vereinfachten, kompakten und kostengünstigen Bauweise, insbesondere mit
geringer Bauhöhe zu schaffen, welche eine Ausführung mit geringem Schadraum und entsprechend
geringen Abmessungen des erforderlichen Einbauraumes ermöglicht.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Ventilkörper durch eine
an den Ventilsitz lose anlegbare, die Durchtrittsöffnung vollständig überdeckende,
runde Scheibe gebildet ist, welche auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite mit einer
zentralen örtlichen Erhebung ausgeführt ist, die eine Auflagefläche für eine zentrale
Stützfläche einer lose gegen die Erhebung verspannbaren runden Federplatte aufweist,
und dass der Ventilkörper und die Federplatte frei beweglich in einer gegen die Durchtrittsöffnung
hin offenen, vom Fluid durchströmbaren Ausnehmung eines den Ventilsitz zumindest teilweise
umgebenden Führungsteils angeordnet sind, wobei diese Ausnehmung in einem ein Abheben
des Ventilkörpers zulassenden Abstand vom Ventilsitz mit einem nach innen vorstehenden
Absatz ausgeführt ist, an den die dem Ventilkörper abgewandte Randpartie der Federplatte
unter Vorspannung anliegt.
[0006] Die erfindungsgemässe, von Befestigungsteilen im Ventilbereich freie Anordnung des
Ventilkörpers und der Federplatte im zugehörigen Führungsteil ermöglicht eine besonders
flache Ausführung des Ventils, dessen Einbauhöhe im wesentlichen nur durch die Dicken
des Ventilkörpers und der Federplatte sowie durch den Hub des Ventilkörpers bestimmt
ist. Zugleich wird ein einfacher Ein- und Ausbau des Ventilkörpers und der Federplatte
gewährleistet.
[0007] Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
[0008] Weitere Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 einen mit Ventilanordnungen nach der Erfindung versehenen Hubkolbenkompressor
in einem durch zwei Horizontalebenen geführten Schnitt;
Fig. 2 eine der Ventilanordnungen nach der Erfindung in einem Ausschnitt aus der Fig.
1 in einer grösseren Darstellung;
Fig. 3 die Ventilanordnung nach Fig. 2 in einer Draufsicht;
Fig. 4 eine Einzelheit der Ventilanordnung in einer Draufsicht.
[0009] Der Kompressor nach Fig. 1 weist vier Zylinder 1, 2, 3 und 4 auf, in denen Kolben
5, 6, 7 und 8 geführt sind. Die Zylinder 1 und 2 weisen eine in der Zeichnungsebene
liegende gemeinsame Achse 10 auf, während die Zylinder 2 und 4 auf einer gegenüber
der Zeichnungsebene zurückversetzten gemeinsamen Achse 11 angeordnet sind. Die Kolben
5 und 7 sind über ein ihre Kolbenstangen 12 bzw. 13 verbindendes Joch 14 mit einem
Gleitstück 15 gekoppelt, welches auf einem Kurbelzapfen 16 einer Kurbelwelle 17 gelagert
ist. Die Kurbelwelle 17 ist mit einem nicht dargestellten Motor, z.B. einem Elektromotor,
verbunden. Das Gleitstück 15 ist zwischen zwei im Joch 14 ausgebildeten Führungsbahnen
18 quer zur Achse 10 verschiebbar geführt. Die Kolben 6 und 7 sind über ein ihre Kolbenstangen
20 bzw. 21 verbindendes Joch 22 mit einem auf dem Kurbelzapfen 16 gelagerten, nicht
dargestellten zweiten Gleitstück gekoppelt, welches in dem gegenüber dem Joch 14
um 90
o versetzten Joch 22 quer zur Achse 11 verschiebbar geführt ist.
[0010] Die in Zylindereinsätzen 23, 24, 25 und 26 geführten Kolben 5, 6, 7 und 8 begrenzen
in den durch lösbar befestigte Zylinderdeckel 27, 28, 29 und 30 abgeschlossenen Zylindern
1, 2, 3 und 4 je einen Kompressionsraum 31, 32, 33 bzw. 34. Der Kompressionsraum 31
des die erste Verdichtungsstufe bildenden Zylinders 1 ist durch eine in den Zylinderkopf
27 eingesetzte Stirnplatte 35 begrenzt, die mit mehreren, z.B. vier, in Umfangsrichtung
gegeneinander versetzt angeordneten Durchtrittsöffnungen 36 versehen sind. Die Durchtrittsöffnungen
36, von denen in der Fig. 1 nur eine sichtbar ist, sind je mit einem Druckventil 37
versehen. Die Druckventile 37 sind auf der dem Kolben 5 abgewandten Seite der Stirnplatte
35 je in einer Ausnehmung 38 eines Führungsteils, gemäss Fig. 1 einer Halteplatte
40, angeordnet, die auf der Stirnplatte 35 lösbar befestigt ist. Im Kolben 5 sind
ebenfalls mehrere Durchtrittsöffnungen 42 ausgebildet, welche je mit einem Saugventil
41 versehen sind. Entsprechend wird jeweils - während des Saughubes des Kolbens 5
und bei geöffneten Saugventilen 41 - eine Verbindung zwischen dem Kompressionsraum
31 und einem von diesem durch den Kolben 5 getrennten Zylinderraum 43 hergestellt,
der an eine nicht dargestellte Zuführleitung für das zu komprimierende Medium, z.B.
Erdgas, angeschlossen ist. Die Saugventile 41 sind auf der dem Kompressionsraum 31
zugewandten Seite des Kolbens 5 je in einer Ausnehmung 44 eines am Kolben 5 lösbar
befestigten weiteren Führungsteils, darstellungsgemäss einer Halteplatte 45, angeordnet.
[0011] In den Zylindern 2 und 3 sind die Kompressionsräume 32 und 33 je durch eine auf den
Zylindereinsatz 24 bzw. 25 aufgesetzte Stirnplatte 46 bzw. 47 begrenzt. Die Stirnplatten
46 und 47 enthalten je eine mit dem Druckventil 37 versehene zentrale Durchtrittsöffnung
36 eine Anzahl, z.B. vier, mit Saugventilen 41 versehene, in Umfangsrichtung gegeneinander
versetzte Durchtrittsöffnungen 42, von denen in der Fig. 1 ebenfalls jeweils nur eine
sichtbar ist. Die das Druckventil 37 aufnehmende Ausnehmung 38 ist jeweils im Zylinderdeckel
28 bzw. 29 ausgebildet. Die die Saugventile 41 aufnehmenden Ausnehmungen 44 sind jeweils
in der der Innenseite der Stirnplatte 46 bzw. 47 zugekehrten Stirnpartie des Zylindereinsatzes
24 bzw. 25 ausgebildet, die als Führungsteil für die Saugventile 41 dient. Die Ausnehmungen
38 sind je durch eine seitliche Oeffnung mit Kompressionsraum 32 bzw. 33 verbunden.
[0012] Im Zylinder 4 sind sowohl eine mit dem Druckventil 37 versehene Durchtrittsöffnung
36 als auch eine mit dem Saugventil 41 versehene Durchtrittsöffnung 42 im Zylinderdeckel
30 ausgebildet, wobei die das Druckventil 37 aufnehmende Ausnehmung 38 in einem in
den Zylinderdeckel 30 einschraubbaren Anschlussnippel 50 einer vom Kompressor wegführenden
Druckleitung 51 ausgebildet ist, während die das Saugventil 41 aufnehmende Ausnehmung
44 in einem Nippel 52 ausgebildet ist, der den Kompressionsraum 34 mit einem im Zylinderdeckel
30 ausgebildeten Strömungskanal 58 verbindet.
[0013] In der Fig. 1 ist der Kolben 5 in seiner oberen Totpunktlage dargestellt, in der
der Kompressionsraum 31 am kleinsten ist. Während des Saughubes des Kolbens 5 wird
das dem Zylinderraum 43 zugeführte Gas bei geöffnetem Saugventil 41 durch die Durchtrittsöffnung
42 angesaugt. Während des Druckhubes wird das dabei auf einen Druck von z.B. 5 bar
verdichtete Gas bei geöffnetem Druckventil 37 durch die Durchtrittsöffnung 36 in einen
Zylinderraum 55 und von diesem über einen die Zylinderdeckel 27 und 28 verbindenden
Strömungskanal 56 und einen Ringkanal 48 der durch den Zylinder 2 gebildeten zweiten
Verdichtungsstufe zugeführt.
[0014] Das beim Saughub des Kolbens 6 durch die Durchtrittsöffnungen 42 in den Kompressionsraum
32 angesaugte Gas wird beim folgenden Druckhub auf einen Druck von z.B. 20 bar verdichtet
und bei geöffnetem Druckventil 37 über einen die Zylinderdeckel 28 und 29 verbindenden
Strömungskanal 57 und einen Ringkanal 49 der durch den Zylinder 3 gebildeten dritten
Verdichtungsstufe zugeführt.
[0015] In der Fig. 1 ist der Kolben 7 des Zylinders 3 in der unteren Totpunktlage dargestellt,
in der der Kompressionsraum 33 am grössten ist. Das beim Saughub des Kolbens 7 in
den Kompressionsraum 33 angesaugte Gas wird beim folgenden Druckhub auf einen Druck
von z.B. 60 bar verdichtet und über den die Zylinderdeckel 29 und 30 verbindenden
Strömungskanal 58 sowie durch im Nippel 52 ausgebildete Verbindungskanäle 59 und
60 der durch den Zylinder 4 gebildeten vierten Verdichtungsstufe zugeführt.
[0016] Das beim Saughub des Kolbens 8 in den Kompressionsraum 34 angesaugte Gas wird beim
Druckhub auf einen Druck von z.B. 180 bar verdichtet und bei geöffnetem Druckventil
37 über die Druckleitung 51 einem nicht dargestellten Gasbrennstoffbehälter zugeführt,
der z.B. als Treibstofftank eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein kann.
[0017] Alle Druckventile 37 und Saugventile 41 sind, abgesehen von allfällig unterschiedlichen
Abmessungen der zusammenwirkenden Teile, im wesentlichen gleich ausgebildet. Entsprechend
der Darstellung in den Figuren 2, 3 und 4, die das Druckventil 37 des Zylinders 1
zeigen, enthält das Druckventil 37 einen die zugehörige Durchtrittsöffnung 36 vollständig
überdeckenden, scheibenförmigen runden Ventilkörper 61 und eine runde Federplatte
62, unter deren Wirkung der Ventilkörper 61 mit einer ebenen Aufsetzfläche lose an
einen die Durchtrittsöffnung 36 umgebenden Ventilsitz 63 anliegt. Darstellungsgemäss
ist der Ventilsitz 63 unmittelbar an der den Kompressionsraum 31 begrenzenden Stirnplatte
35 ausgebildet. Der Ventilkörper 61 ist an der dem Ventilsitz 63 abgewandten Seite
mit einer zentralen Erhebung 64 versehen, die z.B. durch einen zylindrischen Ansatz
oder, wie in Fig. 2 dargestellt, durch eine kegelstumpffömige Verdickung des Ventilkörpers
61 gebildet sein kann. An der Erhebung 64 ist eine Auflagefläche 65 für eine zentrale
Stützfläche 66 der Federplatte 62 ausgebildet. Die Federplatte 62 ist in der das Druckventil
37 umgebenden Ausnehmung 38 der Halteplatte 40 gegen den Ventilkörper 61 verspannt
gehalten, wobei die Ausnehmung 38 mit einem ihren Querschnitt verengenden Absatz
67 ausgeführt ist. Der Absatz 67 ragt in einem ein Abheben des Ventilkörpers 61 zulassenden
Abstand von diesem über den Ventilsitz 63 und bildet somit ein Widerlager für die
an ihn unter Vorspannung anlegbare Randpartie 71 der Federplatte 62.
[0018] Entsprechend der Darstellung in den Figuren 2 und 3 kann die Ausnehmung 38 mit über
ihren Umfang verteilt angeordneten örtlichen, nischenartigen Erweiterungen 68 ausgeführt
sein, die bei geöffnetem Druckventil 37 eine verlustarme Durchströmung der Ausnehmung
38 durch das aus dem Kompressionsraum 31 austretende Gas gewährleisten. Es versteht
sich, dass auch eine andere Anzahl Erweiterungen, oder gegebenenfalls nur eine einzige
entsprechende Verbindungsöffnung, vorgesehen sein kann.
[0019] Wie insbesondere aus der Fig. 4 hervorgeht, sind in der Federplatte 62 drei über
ihre Fläche in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Schlitze 70 ausgebildet, von
denen jeder, von einem auf einer kreisringförmigen Randpartie 71 der Federplatte 62
liegenden Bezugspunkt 72 ausgehend, spiralartig im wesentlichen über die vier Quadranten
A, B, C und D der Fläche der Federplatte 62 gegen deren zentrale Stützfläche 66 verläuft.
Diese Stützfläche 66, welche der Auflagefläche 65 der Erhebung 64 entspricht, ist
durch einen zwischen die inneren Enden 73 der drei Schlitze 70 eingeschriebenen,
gedachten Kreis bestimmt. Die Schlitze 70 sind dabei so ausgeführt, dass sie, von
ihrem jeweiligen Bezugspunkt 72 ausgehend, je einen entlang der Randpartie 71 verlaufenden
Anfangsabschnitt E mit im Bereich des ersten Quadranten A gegen den zweiten Quadranten
B hin zunehmender und am Anfang des zweiten Quadranten B abnehmender Breite, und
einen über den Rest des zweiten Quadranten B und im wesentlichen über den dritten
Quadranten C verlaufenden mittleren Abschnitt F mit im wesentlichen konstanter, geringer
Breite sowie einen im Bereich des vierten Quadranten D verlaufenden Endabschnitt
G mit gegen die Stützfläche 66 hin wieder zunehmender Breite aufweisen.
[0020] Der Verlauf der Schlitze 71 ist so gewählt, dass zwischen ihnen Stege 74 verbleiben,
welche je mit einer Breite H ausgeführt sind, die, von der Randpartie 71 ausgehend,
über die erste Hälfte ihrer Längenerstreckung kontinuierlich geringfügig abnimmt und
über die zweite Hälfte ihrer Längenerstreckung gegen die zentrale Stützfläche 66
hin kontinuierlich geringfügig zunimmt. Die Stützfläche 66 kann ohne Oeffnung, und
damit, wie die entsprechende Auflagefläche 65 der Erhebung 64, relativ klein ausgeführt
sein. Diese Konstruktion ergibt daher, bei optimaler Ausnützung des Materials der
Federplatte 62, eine Ausführung mit relativ langen, günstig beanspruchten Stegen 74,
die bei kleinem Durchmesser der Federplatte 62 einen relativ grossen Federweg zulassen.
Entsprechend wird bei Einhaltung eines minimalen Schadraumes eine maximale Auslenkung
der Federplatte 62 erzielt, so dass die baulichen Abmessungen des Kompressors entsprechend
klein gehalten werden können.
[0021] Die erfindungsgemässe Ventilausführung ist insbesondere für kleine, trockenlaufende
Kompressoren geeignet, wobei die Ventilkörper 61 und Federplatten 62 z.B. Durchmesser
von ca. 10 bis 12 mm aufweisen können. Die Federplatten 62 können aus Federstahl oder
einem anderen, für Blattfedern geeigneten Material, wie Titan oder Beryllium, ausgeführt
sein und je eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm aufweisen. Es versteht sich, dass auch Ausführungen
mit anderen als den beschriebenen Abmessungen möglich sind. Die Ventilkörper 61 können
aus Metall oder einem Kunststoff, z.B. Polyätherätherketon (PEEK), bestehen. In Verbindung
mit der vorstehend beschriebenen Federplatte 62 kann insbesondere durch die Kunststoffausführung
eine kostengünstige, massenund geräuscharme Ventilanordnung erzielt werden, welche
jeweils schnell anspricht und welche einen Betrieb mit minimalem Verschleiss und entsprechend
langen Standzeiten gewährleistet. Ein optimales Verhältnis zwischen der maximalen
Auslenkung und der Federkraft der Federplatte 62 kann bei Ausführungen erzielt werden,
bei denen die an der Erhebung 64 ausgebildete Auflagefläche 65 und die zentrale Stützfläche
66 der Federplatte 62 einen Durchmesser aufweisen, der etwa 1/4 bis 1/8 des Durchmessers
des Ventilkörpers 61 beträgt.
[0022] Abgewandelte Ausführungsformen können Ventilkörper enthalten, die je mit einer konischen
oder linsenförmigen Aufsetzfläche ausgeführt sind und mit entsprechend ausgebildeten
Ventilsitzen zusammenwirken. Es ist auch eine Ausführung möglich, bei der der Ventilsitz
an einem auswechselbaren Einsetzteil ausgebildet ist.
[0023] Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung an Kompressoren der vorstehend beschriebenen
und dargestellten Art beschränkt, sondern ist auch für andere, ein- oder mehrstufige
Ausführungen, sowie für andere Anwendungen, z.B. für Leitungen, Atemluftkompressoren,
Kompressoren für die Tieftemperaturtechnik oder Kompressoren zum Verdichten von CO₂,
Stickstoff und dergleichen Medien geeignet. Die erfindungsgemässe Ventilanordnung
ist ebenso für die Verwendung an Pumpen oder Leitungen für flüssige Medien, z.B. Wasser
oder Flüssiggas, geeignet.
1. Ventilanordnung, insbesondere für Kolbenkompressoren, Pumpen oder dergleichen,
mit einem Bauteil (5,30,35,46,47), der eine von einem Fluid durchströmbare Durchtrittsöffnung
(36,42) enthält, und einem Ventilkörper (61), der mit einem die Durchtrittsöffnung
(36,42) umgebenden Ventilsitz (63 zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (61) durch eine an den Ventilsitz (63) lose anlegbare, die
Durchtrittsöffnung (36, 42) vollständig überdeckende, runde Scheibe gebildet ist,
welche auf der dem Ventilsitz (63) abgewandten Seite mit einer zentralen örtlichen
Erhebung (64) ausgeführt ist, die eine Auflagefläche (65) für eine zentrale Stützfläche
(66) einer lose gegen die Erhebung (64) verspannbaren runden Federplatte (62) aufweist,
und dass der Ventilkörper (61) und die Federplatte (62) frei beweglich in einer gegen
die Durchtrittsöffnung (36 bzw. 42) hin offnen, vom Fluid durchströmbaren Ausnehmung
(38 bzw. 44) eines den Ventilsitz (63) zumindest teilweise umgebenden Führungsteils
angeordnet sind, wobei diese Ausnehmung (38, 44) in einem ein Abheben des Ventilkörpers
(61) zulassenden Abstand vom Ventilsitz (63) mit einem nach innen vorstehenden Absatz
(67) ausgeführt ist, an den die dem Ventilkörper (67) abgewandte Randpartie (71) der
Federplatte (62) unter Vorspannung anliegt.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Ventilkörper
(61) zusammenwirkende Ventilsitz (63) unmittelbar an dem die Durchtrittsöffnung (36,42)
enthaltenden Bauteil (5,30,35,46,47) ausgebildet ist.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper
(61) aus Kunststoff, z.B. einem Polyätherätherketon, besteht.
4. Ventilanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhebung (64) des Ventilkörpers (61) in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet
ist, und dass die der Federplatte (62) zugekehrte Auflagefläche (65) mit einem Durchmesser
ausgeführt ist, der 1/4 bis 1/8 des Durchmessers des Ventilkörpers (61) beträgt.
5. Ventilanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Federplatte (62) aus Federstahl besteht und eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm
aufweist.
6. Ventilanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Federplatte (62) drei Schlitze (70) ausgebildet sind, von denen jeder,
von einem Bezugspunkt (72) an der Randpartie (71) ausgehend, spiralartig im wesentlichen
über die vier Quadranten (A, B, C, D) der Fläche der Federplatte (62) gegen die zentrale
Stützfläche (66) verläuft, wobei diese zwischen den inneren Enden (73) der Schlitze
(70) verbleibende Stützfläche (66) der an der Erhebung (64) des Ventilkörpers (61)
ausgebildeten Auflagefläche (65) entspricht.
7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Schlitze
(70), vom Bezugspunkt (72) ausgehend, einen im wesentlichen über einen ersten Quadranten
(A) verlaufenden Anfangsabschnitt (E) mit gegen den zweiten Quadranten (B) hin zunehmender
und am Anfang dieses zweiten Quadranten (B) abnehmender Breite, und einen über den
Rest des zweiten Quadranten (B) und den dritten Quadranten (C) verlaufenden mittleren
Abschnitt (F) mit geringer, im wesentlichen konstanter Breite sowie einen über den
vierten Quadranten (D) verlaufenden Endabschnitt (G) mit gegen den ersten Quadranten
(A) hin zunehmender Breite aufweist.
8. Ventilanordnung nach der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze
(70) drei von der Randpartie (71) gegen die zentrale Stützfläche (66) verlaufende
Stege (74) begrenzen, welche, von der Randpartie (71) ausgehend, je mit einer im wesentlichen
über die erste Hälfte ihrer Längenerstreckung kontinuierlich abnehmenden und im wesentlichen
über die zweite Hälfte ihrer Längenerstreckung gegen die zentrale Stützfläche (66)
hin kontinuierlich zunehmenden Breite (H) ausgeführt sind.
9. Ventilanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die den Ventilkörper (61) und die Federplatte (67) aufnehmende Ausnehmung (38,
44) an ihrem Umfang mit mindestens einer ihren Querschnitt vergrössernden, örtlichen
Erweiterung (68) versehen ist.
10. Verwendung einer Ventilanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche an einem
Hubkolbenkompressor zum Verdichten von in einem Kraftfahrzeug als Treibstoff zu speicherndem
Gas, z.B. Erdgas.