Aus der DE 195 15 217 A1 ist ein Verdichter dieser Art bekannt, bei dem der Kolben einen asymmetrischen Vor- sprung hat, der mit der Auslaßöffnung des Druckventils zusammenwirkt. Die Auslaßöffnung ist an den asymmetri- schen Vorsprung des Kolbens angepaßt.

Aus der Patentanmeldung DK 898/92 ist ein Axialkolben- verdichter mit einem konischen Kolbenvorsprung bekannt, der mit einer konischen Auslaßöffnung des Druckventils zusammenwirkt.

Aus der US 5 149 254 ist ein Axialkolbenverdichter mit einer Vertiefung in dem Teil der Kolbenstirnfläche be- kannt, der sich von der Auslaßöffnung des Druckventils zur Mitte der Kolbenstirnfläche erstreckt. In der Ver- tiefung kann ein Kolbenvorsprung vorgesehen werden, der mit der Auslaßöffnung zusammenwirkt.

Bei diesen bekannten Verdichtern soll der Kolbenvor- sprung die Auslaßöffnung im oberen Totpunkt möglichst vollständig ausfüllen, um ihren"schädlichen Raum"zu vermeiden, d. h. das darin enthaltene Gas ebenfalls aus- zustoßen und dadurch den Wirkungsgrad des Verdichters zu steigern.

Hierbei wird die tatsächliche (freie) Querschnittsflä- che der Auslaßöffnung verringert, wenn sich der Kolben seinem oberen Punkt nähert, so daß der Strömungswider- stand in der Auslaßöffnung ansteigt. Die Strömungsver- hältnisse in der Auslaßöffnung und um das Ventil- verschlußelement herum können bewirken, daß das Druck- gas in einem Teil der Auslaßöffnung Rezirkulationszonen bildet. Der Kolbenvorsprung kann das Problem dadurch vergrößern, daß sich der Abstand zwischen Vorsprung und Auslaßöffnung schon bis zu einer Durchflußrestriktion verringert hat, bevor der Vorsprung die Auslaßöffnung erreicht hat. So kann die freie Querschnittsfläche der Auslaßöffnung schon erheblich eingeengt sein, bevor das Druckventil öffnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Axial- kolben-Kältemittelverdichter der eingangs genannten Art anzugeben, der einen noch höheren Wirkungsgrad hat.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auslaßöffnung, der Kolbenvorsprung, die Innensei- te der Ventilplatte und die Stirnfläche des Kolbens ei- nen Durchflußkanal mit wenigstens über den größten Teil seines Umfangs stetigem Verlauf seiner Axialschnittkan- ten begrenzen, daß die freie Querschnittsfläche des Durchflußkanals so lange durch die kleinste Quer- schnittsfläche der Auslaßöffnung bestimmt ist, bis der Kolben während seines Druckhubs eine Position erreicht hat, die um mindestens die Höhe der Auslaßöffnung unter dem oberen Totpunkt liegt, daß während des weiteren Druckhubs des Kolbens die relative Abnahme der freien Querschnittsfläche des Durchflußkanals geringer als die relative Abnahme des Volumens des Druckraums ist und daß mindestens 45% des Volumens der Auslaßöffnung im

oberen Totpunkt des Kolbens durch den Vorsprung ausge- füllt sind.

Bei dieser Lösung ergibt sich ein Durchflußkanal mit minimalem Strömungswiderstand, geringerem Druckverlust in der Auslaßöffnung und kleinerem"schädlichem Raum".

Die maximale Ausströmgeschwindigkeit des Gases wird kleiner. Gleichzeitig wird eine Geräuschminderung er- reicht. Insgesamt ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad des Verdichters.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die Querschnitts- fläche der Auslaßöffnung zur Außenseite der Ventilplat- te hin abnimmt, daß die Querschnittsfläche des Vor- sprungs zu seinem freien Ende hin abnimmt und daß die Querschnittsflächen der Auslaßöffnung und des Vor- sprungs sich derartig in Axialrichtung ändern, daß sich die freie Querschnittsfläche des Durchflußkanals wäh- rend der Kolbenbewegung relativ weniger ändert als das im Zylinder verbleibende Volumen. Dadurch wird er- reicht, daß der Strömungswiderstand des Durchflußkanals auf einem niedrigen Wert bleibt, während der Durchfluß oder Massenstrom während des Druckhubs des Kolbens ab- nimmt.

Während des Druckhubs des Kolbens kann der Strömungswi- derstand des Durchflußkanals durch die kleinste Quer- schnittsfläche der Auslaßöffnung bestimmt sein, bis das freie Ende des Kolbenvorsprungs mit der Innenseite der Ventilplatte fluchtet. Dadurch wird ein optimaler Ga- sabfluß sichergestellt, während der Massenstrom durch die Auslaßöffnung am größten ist.

Insbesondere kann während des Druckhubs des Kolbens der Strömungswiderstand des Durchflußkanals durch die

kleinste Querschnittsfläche der Auslaßöffnung bestimmt sein, bis 50% der Höhe des Kolbenvorsprungs in die Aus- laßöffnung eingedrungen sind. Dadurch wird ein optima- ler Gasaustritt erreicht, bis die Kolbengeschwindigkeit deutlich verringert ist und der Gasdurchfluß abgenommen hat.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß ein Axialschnitt durch die Auslaßöffnung der Ventilplatte und den Kolbenvorsprung gekrümmte Schnittkanten auf- weist. Hierbei kann die Schnittkante der Auslaßöffnung steiler als die des Vorsprungs sein.

Insbesondere kann der erfindungsgemäße Verdichter so ausgestaltet sein, daß die Übergänge zwischen der Ven- tilplattenoberfläche und der Auslaßöffnung und der Ü- bergang zwischen der Kolbenstirnfläche und dem Vor- sprung stetig sind, wobei der Übergang zwischen Ausla- ßöffnung und Ventilsitz und der Übergang zwischen Vor- sprung und Kolbenstirnfläche abgerundet sind. Dadurch kann der Gasabfluß während der Entleerung des Zylinders nahezu ohne Wirbelbildung erfolgen, wobei der Strö- mungswiderstand verringert wird.

Die Auslaßöffnung kann asymmetrisch ausgebildet sein.

Dies ist von Vorteil, wenn die Auslaßöffnung gegenüber der Mitte des Zylinders versetzt ausgebildet ist.

Alternativ kann die Auslaßöffnung symmetrisch ausgebil- det sein. Dies ist von Vorteil, wenn die Auslaßöffnung in der Nähe der Zylindermitte liegt.

Auch der Kolbenvorsprung kann asymmetrisch ausgebildet sein. Dadurch kann der Vorsprung an eine asymmetrische Auslaßöffnung angepaßt werden.

Wenn der Kolbenvorsprung symmetrisch ausgebildet ist, kann er an eine symmetrische Auslaßöffnung angepaßt werden.

Es ist auch möglich, einen symmetrischen Kolbenvor- sprung mit einer asymmetrischen Ventilöffnung, und um- gekehrt, zu kombinieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele näher be- schrieben. Es zeigen : Fig. 1 einen vergrößerten Axialschnitt durch einen Teil einer Kolben-Zylinder-Einheit eines be- kannten Axialkolben-Kältemittelverdichters im Bereich eines Druckventils, Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Axialschnitt eines weiteren bekannten Axialkolben-Kälte- mittelverdichters mit einem stirnseitigen Vorsprung des Kolbens, Fig. 3 einen der Fig. 1 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters, Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine Kolben- Zylinder-Einheit eines gegenüber dem Ausfüh- rungsbeispiel nach Fig. 3 etwas abgewandelten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters,

Fig. 5 ebenfalls einen den vorhergehenden Figuren entsprechenden Axialschnitt eines Teils einer Kolben-Zylinder-Einheit eines dritten Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kälte- mittelverdichters, Fig. 6 ebenfalls einen den vorhergehenden Figuren entsprechenden Axialschnitt eines Teils einer Kolben-Zylinder-Einheit eines vierten Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kälte- mittelverdichters.

Fig. 7 einen der Fig. 4 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit zur Verdeutli- chung der Bestimmung der freien Querschnitts- fläche des Durchflusskanals.

Fig. 8 einen der Fig. 3 entsprechenden Axialschnitt einer Kolben-Zylinder-Einheit mit zwei unter- schiedlichen Kolbenpositionen.

Bei dem bekannten Kältemittelverdichter nach Fig. 1 ist ein Kolben 1 in einem nicht dargestellten Zylinder ge- führt, der durch eine Ventilplatte 2 verschlossen ist.

Die Ventilplatte 2 ist mit einem schematisch darge- stellten Druckventil 3 versehen, das eine kreiszylind- rische Auslaßöffnung 4 in der Ventilplatte 2 mit einem auf der Außenseite der Ventilplatte 2 ausgebildeten Ventilsitz 5 und einem Ventilverschlußelement 6 in Form einer Platte aufweist. Das Ventilverschlußelement 6 wird unter dem Innendruck des Zylinders gegen die Kraft einer nicht dargestellten Feder vom Ventilsitz 5 abge- hoben, um das Druckventil 3 zu öffnen, oder ist als an der Ventilplatte 2 einseitig eingespannte Blattfeder ausgebildet.

Während des Druckhubs des Kolbens 1, d. h. wenn er sich seinem oberen Totpunkt nähert, wird zwischen der Innen- seite 7 der Ventilplatte 2 und der Stirnfläche 8 des Kolbens 1 der Durchfluß am Umfang der Auslaßöffnung 4 eingeengt, d. h. die freie Querschnittsfläche eines Durchflußkanals zur Auslaßöffnung 4 verringert und da- durch die Strömungsgeschwindigkeit während des Druck- hubs bei geöffnetem Druckventil 3 erhöht, so daß Rezir- kulationszonen in der Auslaßöffnung gebildet werden, die den Strömungswiderstand erhöhen und dadurch den Wirkungsgrad des Verdichters verringern und gleichzei- tig den Geräuschpegel im Betrieb des Verdichters erhö- hen. Das Volumen der Auslaßöffnung 4 wirkt als"schäd- licher Raum", der den Wirkungsgrad des Verdichters wei- ter verringert.

Der bekannte Kältemittelverdichter nach Fig. 2 unter- scheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Stirnfläche 8 des Kolbens 1 mit einem etwa ke- gelstumpfförmgen Vorsprung 9 versehen ist, der die Aus- laßöffnung 4 teilweise ausfüllt. Der Vorsprung 9 kann jedoch den Durchfluß bereits einschränken, bevor der Vorsprung 9 in die Auslaßöffnung 4 eintritt und bevor das Druckventil 3 geöffnet ist. Wenn das Druckventil 3 geöffnet ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Ga- ses, während es durch den Kolben 1 aus dem Zylinder ge- stoßen wird, am größten, so daß eine Verringerung der Querschnittsfläche des Durchflußkanals den Wirkungsgrad des Verdichters erheblich verringert.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters nach Fig. 3 ist die Stirnfläche 8 des Kolbens 1 mit einem Vorsprung 10 versehen, der die Ausla#öffnung 11 des Druckventil 3 im oberen Tot- punkt des Kolbens 1 teilweise ausfüllt, wie es durch

die durchgehende Begrenzungslinie des Kolbens 1 darge- stellt ist. Die gestrichelten Linien stellen den Kolben 10 in verschiedenen tieferen Lagen dar.

Im Gegensatz zu dem bekannten Verdichter nach Fig. 2 ändert sich die Querschnittsfläche bzw. der Durchmesser der Auslaßöffnung 11 über ihre gesamte Höhe H, d. h. die Querschnittsfläche bzw. ihr Durchmesser nimmt von innen nach außen stetig und nichtlinear ab. Dabei ist auch der Übergang von der Innenseite 7 der Ventilplatte 2 zur Auslaßöffnung 11 abgerundet.

Auch der Vorsprung 10 des Kolbens 1 hat eine über seine gesamte Höhe stetig und nichtlinear zu seinem freien Ende hin abnehmende Querschnittsfläche. Das gleiche gilt auch für den Querschnittsdurchmesser des Vor- sprungs 10. Die Abnahmegeschwindigkeit der Quer- schnittsfläche des Vorsprungs 10 ist jedoch etwas grö- ßer als die der Auslaßöffnung 11. Gleichzeitig ist der Übergang zwischen der ebenen Stirnfläche 8 des Kolbens 10 und der Umfangsfläche des Vorsprungs 10 stetig bzw. abgerundet.

Zwischen dem Vorsprung 10 und der Auslaßöffnung 11 wird ein Durchflußkanal 12 gebildet, dessen Axialschnittkan- ten in jeder Axialschnittebene stetig gekrümmt sind und dessen freie Querschnittsfläche von der Lage des Kol- bens 1 abhängt, d. h. während seines Druckhubs abnimmt.

Außerdem ändert sich die Querschnittsfläche des Durch- flußkanals 12 nicht sprungartig, sondern stetig über die Lange des Durchflußkanals.

Während sich der Kolben 1 aus der in Fig. 3 unteren, gestrichelt dargestellten Position zum Oberen Totpunkt hin bewegt, d. h. während seines Druckhubs, erreicht er

die mittlere gestrichelt dargestellte Position. In die- ser Position ist die Querschnittsfläche des Durchfluß- kanals verringert. Während sich der Kolben 1 jedoch dem oberen Totpunkt nähert, nimmt seine Geschwindigkeit und damit auch der Massen-oder Volumenstrom des ausgesto- #enen Gases ab. Deshalb kann die Querschnittsfläche des Durchflußkanals 12 ohne Erhöhung des Druckverlustes verringert werden. Im oberen Totpunkt des Kolbens 1, durch die durchgehende Linie dargestellt, ist die Quer- schnittsfläche des Durchflu#kanals 12 auf ein Minimum verringert, gleichzeitig hat aber der Gasstrom (Massen- oder Volumenstrom) abgenommen. Da der Vorsprung 10 die Auslaßöffnung 11 nunmehr nahezu vollständig ausfüllt, wird der"schädliche Raum"auf ein Minimum verringert, weil nahezu die gesamte Gasmenge aus dem Zylinder unter dem Ventilverschlußelement 6 hindurch nach außen ge- drückt wird. Es verbleibt jedoch ein freier, wenn auch sehr enger Durchflußkanal, so daß selbst im und nach dem oberen Totpunkt bei geöffnetem Druckventil 3 Gas über die Auslaßöffnung 11 zum Druckausgang austreten kann.

Durch die Verringerung des Druckverlustes während der Entleerung des Zylinders und die gleichzeitige Verrin- gerung des"schädlichen Raums"wird der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 nur dadurch, da# der Übergang 13 zwischen dem Ventilsitz 5 und der Auslaßöffnung 11 so- wie der Übergang 14 zwischen der Stirnfläche des Vor- sprungs 10 und seiner Umfangsfläche stetig abgerundet sind.

Die stetigen Übergänge 13,14 sowie die stetigen Über- gänge zwischen der Innenseite 7 der Ventilplatte 2 und der Auslaßöffnung 11 sowie zwischen der Stirnfläche 8 des Kolbens 1 und der Umfangsfläche des Vorsprungs 10 bewirken, daß in der Gasströmung weniger Wirbel auftre- ten, so daß die Rezirkulationszonen und die Strömungs- geräusche verringert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Ausla- ßöffnung 15 des Druckventils 3 asymmetrisch. Auch der Vorsprung 16 des Kolbens 1 ist entsprechend asymmet- risch. D. h., die Steilheiten der Flanken der Auslaßöff- nung 15 und des Vorsprungs 16 sind auf sich gegenüber- liegenden bzw. voneinander abgekehrten Seiten, links und rechts in der Axialschnittansicht, verschieden.

Durch diese aneinander angepaßten Asymmetrien der Aus- laßöffnung und des Vorsprungs 16 strömt auch das Gas asymmetrisch aus dem Zylinder 17. Die Auslaßöffnung 15 und der Vorsprung 16 sind hierbei so weit exzentrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet, daß sie nahe an der Wand des Zylinders 17 liegen. Im übrigen ent- spricht dieses Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbei- spiel nach Fig. 4.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Auslaßöffnung 18 und der Vorsprung 19 eben- falls asymmetrisch ausgebildet, so daß ihre Axial- schnittkonturen einander weitgehend entsprechen, und beide noch näher als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 an der Wand des Zylinders 17 angeordnet. Da in diesem Fall das Gas während des Druckhubs bei geöffne- tem Druckventil 3 hauptsächlich von dem in Fig. 6 lin- ken, etwa mittleren Bereich der Stirnfläche 8 zur Aus- laßöffnung 18 hin strömt, können die in der Nähe der Innenseite des Zylinders 17 einander zugekehrten Flä-

chen der Auslaßöffnung 18 und des Vorsprungs 19 mit Kanten 20 und 21 versehen sein, die in teilzylindrische Flächen 22 bzw. 23 übergehen. Die Anordnung der Ausla- ßöffnung 18 in unmittelbarer Nähe der Innenseite des Zylinders 17 ermöglicht es, sowohl die Auslaßöffnung 18 als auch die nicht dargestellte Ansaugöffnung in der Ventilplatte 2 mit einem größeren Durchmesser auszubil- den.

Bei allen Ausführungsbeispielen kann der Vorsprung 10, 16,19 wenigstens etwa 45% des Volumens der Auslaßöff- nung 11,15,18 ausfüllen.

Fig. 7 verdeutlicht die Bestimmung der freien Quer- schnittsfläche des Durchflusskanals für eine gegebene Position des Kolbens 1 am Beispiel der in Fig. 4 gezeig- ten rotationssymmetrischen Form von Auslassöffnung 11 und Kolbenvorsprung 12. Unter der freien Querschnitts- fläche ist allgemein die für das ausströmende Gas zur Verfügung stehende und durch die"lichte Weite"des Durchflusskanals bestimmte kleinste geometrische Quer- schnittsfläche zu verstehen.

Die freie Querschnittsfläche kann rechnerisch für ver- schiedene Verläufe der Axialschnittkanten von Auslass- öffnung 11 und Kolbenvorsprung 12 bestimmt werden.

Hierbei werden auf den Axialschnittkanten der Auslass- öffnung 11 über die gesamte Höhe der Ventilplatte 2 ei- ne Reihe von Punkten 24 festgelegt. Ebenso werden auf den Axialschnittkanten des Vorsprungs 12 mehrere Punkte 25 festgelegt.

Durch Verbinden eines der Punkte 24 auf der Innenseite der Auslassöffnung mit einem Punkt 25 des Kolbenvor- sprungs erhält man einen Abstand a und einen zugehöri-

gen Durchmesser d, wobei der Durchmesser d der Länge der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten zweier zusammengehörigen horizontal gegenüberliegenden Abstän- de a entspricht. Entsprechend der Formel de¢ =2., fa-d ergibt sich daraus ein effektiver Durchmesser de¢ des Durchflusskanals für einen Abstand a. Geometrisch kann man sich deff als Durchmesser einer kreisrunden Öffnung vorstellen, die die gleiche Querschnittsfläche aufweist wie der Ringspalt zwischen der Innenseite der Auslass- öffnung und dem Kolbenvorsprung.

Der Punkt 24 auf der Axialschnittkante der Auslassöff- nung 11 wird nun in entsprechender Weise mit allen Punkten 25 des Vorsprungs verbunden, und es werden Wer- te für de¢ bestimmt. Der kleinste gefundene Wert ent- spricht dem effektiven Durchmesser des Durchflusskanals für diesen betreffenden Punkt 24.

Die freie Querschnittsfläche A des Durchflusskanals 12 bei einer gegebenen Kolbenposition bestimmt sich aus dem insgesamt kleinsten Wert de¢min des effektiven Durchmessers, nachdem Werte entsprechend der beschrie- benen Vorgehensweise für jeden Punkt 24 entlang der In- nenseite der Auslassöffnung ermittelt worden sind. Im Falle einer rotationssymmetrischen Form von Auslassöff- nung und Vorsprung ergibt sich deffmin2##/4.= Das jeweilige Volumen V des Druckraums umfasst das freie Volumen im Zylinder und das Volumen des Totraums bis hin zur oberen Endfläche der Ventilplatte 2.

In Fig. 8 zeigt die Veränderung des Druckraumvolumens und des freien Querschnitts des Durchlasskanals 12 für

zwei Positionen des Kolbens 1. In einer ersten Positi- on, die durch die gestrichelte Linie angegeben wird, ergibt sich ein Volumen V1 und eine freie Querschnitts- fläche A1 des Durchflusskanals 12. Im weiteren Verlauf des Hubvorgangs nähert sich der Kolben seinem oberen Totpunkt, und man erhält ein neues geringeres Volumen V2 und eine neue freie Querschnittsfläche A2, die sich nunmehr in einem Bereich der Auslassöffnung nahe der Unterseite der Ventilplatte befindet. Eine solche Posi- tion des Kolbens ist mit der durchgezogenen Linie ange- deutet.

V2 A2 Es gilt die Beziehung < , da das Volumen V des V, A, Druckraums relativ schneller abnimmt als die freie Querschnittsfläche A des Durchlasskanals 12, wodurch eine Erhöhung des Strömungswiderstands sowie Strö- mungsgeräusche vermieden werden.