Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hubkolbenmaschinen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie werden beispielsweise als Klimakompressoren, insbesondere zur Regulierung der Fahrgastzellentemperatur in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Bei den hier angesprochenen Hubkolbenmaschinen kann es sich um Axialkolbenmaschinen oder aber auch um Radialkolbenma- schinen handeln. Derartige Hubkolbenmaschinen weisen wenigstens einen Kolben auf, der in einer in einem Zylinderblock vorgesehenen Zylinderbohrung verlagerbar ist. Die hier angesprochenen Hubkolbenmaschinen weisen auch eine mit dem wenigstens einen Kolben zusammenwirkende Ventileinrichtung auf. Die Ventileinrichtung weist eine Ventilplatte und ein Ventil, also ein Saug- und/oder ein Druckventil auf, welches mindestens einen Ventilfinger, insbesondere eine Anzahl an Ventilfingern aufweist. Mit seiner Unterseite stützen sich das Saugventil und dessen Ventilfinger an einer Anlagefläche der Ventilplatte ab. Ein Ventilfinger deckt jeweils eine Saugbohrung ab, die einen Kältemittelfluss von einem Saugraum in die den Kolben aufnehmenden Zylinderbohrungen gewährleistet. Bei einer Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung von der Ventileinrichtung weg, muss die Saugkraft des Kolbens die Haftkraft des Ventilfingers auf der Ventilplatte überwinden, sodass sich der Ventilfinger schließ- lieh von der Ventilplatte löst und die Saugbohrung frei gibt, wobei Kältemittel in die Zylinderbohrung strömt. Einige Kältemittel erfordern eine Verkleinerung des Durchmessers der Saugbohrung, wodurch der Druckkraft auf den Ventilfinger von der Saugraumseite aus her kleiner wird und folglich eine größere Haftkraft überwunden werden muss. Insbesondere bei solchen Hubkolbenmaschinen hat es sich gezeigt, dass die Saugkraft des Kolbens beziehungsweise der Saugdruck in der Zylinderbohrung häufig nicht ausreicht, um die Haftkraft des Ventilfingers an der Ventilplatte zu überwinden, also den Ventilfinger von der Ventilplatte zu lösen und damit die Saugbohrung frei zu geben. Die Hubkolbenmaschine weist dadurch schlechtere Starteigenschaften und einen verminderten Wirkungsgrad auf.

Um die Haftkräfte leichter überwinden zu können, wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Hubkolbenmaschinen die Rauheit der Berührungsfläche zwischen den Ventilfingern und der Ventilplatte erhöht. Hierdurch wird die Berührungsfläche reduziert und damit auch die Adhäsionskräfte, die zwischen dem Ventilfinger und der Ventilplatte wirken. Die Rauheit der Oberfläche wird üblicherweise mittels Oberflächenbearbeitungsverfahren wie Sandstrahlen, Nadeln beziehungsweise Prägen oder mittels Ätzen erhöht. Ein Nachteil derartiger Verfahren ist, dass sie schlecht steuerbar sind und eine vorher exakt festgelegte Struktur zur Erzeugung einer bestimmten Rauheit der Oberfläche mit ihnen nicht realisierbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hubkolbenmaschine zu schaffen, bei der eine vorher festgelegte Struktur einfach und definiert einbringbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest in einem Bereich, in dem der mindestens eine Ventilfinger auf der Ventilplatte aufliegt, eine Struktur in Form von Vertiefungen und/oder Erhebungen in dem Ventilfinger und/oder in der Ventilplatte vorgesehen ist, und dass die Struktur mittels eines Laserverfahrens hergestellt ist. Durch die vorteilhafte Einbringung der Strukturen in die Ventilfinger und/oder in die Ventilplatte mittels eines Laserverfahrens kann die Struktur, insbesondere die Tiefe der Vertiefungen und die Höhe der Erhebungen und damit die Rauheit der Oberfläche vorher exakt bestimmt werden und somit optimale Oberflächeneigenschaften im Berührungsbereich zwischen Ventilfinger und Ventilplatte geschaffen werden, welche die Adhäsionskräfte zumindest vermindern. Die durch das Laserverfahren hergestellten Vertiefungen und Erhebungen sind im Übrigen während desselben Laserverfahrens schnell und kostengünstig herstellbar. Durch das Laserverfahren können darüber hinaus definierte Strukturen von geringer Größe geschaffen werden, die mittels herkömmlicher Verfah- ren nicht realisierbar sind.

Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine, das sich dadurch auszeichnet, dass sich zu jeder Seite einer Vertiefung unmittelbar eine Erhebung anschließt. Eine derartig ausgebildete Struktur ist mit einem Laserverfahren besonders einfach herstellbar, da lediglich die Leistung des Lasers entsprechend hoch eingestellt werden muss, sodass sich das Material aus der Vertiefung an deren Seiten in Form von Erhebungen ansammelt.

Besonders bevorzugt wird auch ein Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine, das sich dadurch auszeichnet, dass die Struktur gitterförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine relativ großflächige Struktur mit Vertiefungen und Erhebungen definiert erzeugt werden. Besonders bevorzugt wird noch ein Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine, das sich dadurch auszeichnet, dass die Struktur mehrere punktförmige Vertiefungen aufweist. Die Erhebungen sind dann vorzugsweise ringförmig ausgebildet und konzentrisch zu den punktförmigen Vertiefungen angeordnet. Der Abstand einzelner punktförmiger Vertiefungen beziehungsweise ringförmiger Erhebungen kann dabei je nach Anforderung variieren.

Besonders bevorzugt wird außerdem ein Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine, das sich dadurch auszeichnet, dass die Struk- tur zumindest bereichsweise um eine Ansaugöffnung der Ventilplatte herum angeordnet ist, die von dem Ventilfinger zeitweise verschlossen wird. Gerade im Bereich um die Ansaugöffnung herum ist es entscheidend, dass die Haftkräfte schon bei kleinen Ansaugkräften überwunden werden. Die Anordnung der Struktur im Bereich um die Ansaugöffnung herum liefert hierfür optimale Voraussetzungen.

Besonders bevorzugt wird schließlich ein Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine, das sich dadurch auszeichnet, dass unmittelbar um die Saugbohrung herum ein strukturfreier ringförmiger Bereich vorgesehen ist, in dem der Ventilfinger dichtend an der Ventil- platte anliegt. Dadurch wird verhindert, dass ein Kurzschluss zwischen dem Saugraum und der Zylinderbohrung entsteht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Bereichs einer Ventileinrichtung; Figur 2 einen Schnitt durch die Ventileinrichtung gemäß Figur

1 ;

Figur 3 eine Ventileinrichtung mit einer Struktur gemäß der Erfindung, und

Figur 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Struktur gemäß

Figur 3 entlang der Schnittlinie G-G.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bereichs einer Ventileinrichtung 1 einer Hubkolbenmaschine. Die Ventileinrichtung 1 weist eine Ventilplatte 3 und ein plattenförmiges Ventil, hier rein beispielhaft ein Saugventil 5 auf. Es versteht sich, dass die Erfindung gleichermaßen für ein Druckventil anwendbar ist.

Die Ventileinrichtung 1 wirkt mit einem in einer Zylinderbohrung verschiebbar gelagerten, hier nicht dargestellten Kolben zusammen. Bei einer Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung von der Ventil- einrichtung weg entstehen Saugkräfte, welche die Haftkraft mindestens eines Ventilfingers 7 an der Ventilplatte 3 überwinden müssen, um den Ventilfinger 7 von der Ventilplatte 3 zu lösen und eine hier nicht dargestellte Saugbohrung freizugeben. Bedingt durch den Her- stellungsprozess, der vorzugsweise einen Stanzprozess umfasst, ist der mindestens eine Ventilfinger 7 vorzugsweise einstückig mit dem Saugventil 5 ausgebildet.

Das Saugventil 5 weist vorzugsweise eine Anzahl an Ventilfingern 7 auf, von denen jeweils einer genau einer Saugbohrung zugeordnet ist. Auch ist jedem Ventilfinger 7 ein in einer Zylinderbohrung gela- gerter Kolben zugeordnet. Der Ventilfinger 7 umfasst einen Ventilfingerarm 9 und einen Ventilfingerkopf 11. Der Ventilfingerkopf 11 deckt die hier nicht dargestellte Saugbohrung ab, die in geöffnetem Zustand des Saugventils, wenn der Ventilfingerkopf 11 die Saugbohrung also nicht abdeckt, eine Fluidverbindung zwischen einem Saugbereich und der Zylinderbohrung gewährleistet. Das Saugventil 5 und dessen Anzahl an Ventilfingern 7, von denen hier lediglich einer dargestellt ist, liegt auf einer Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 auf.

Damit sich der Ventilfinger 7 unabhängig von dem übrigen Saugven- til 5 frei bewegen kann, ist um den Ventilfinger 7 herum eine Ausnehmung 15 in dem Saugventil 5 vorgesehen. In dem Bereich der Ausnehmung 15 ist ferner eine Auslassbohrung 17 in der Ventilplatte 3 angeordnet, die eine Fluidverbindung zwischen der Zylinderbohrung und einem von dem Saugbereich abgetrennten Druckraum schafft.

Auf der der Anlagefläche 13 gegenüberliegenden Fläche der Ventilplatte 3 ist ein hier nicht dargestelltes Druckventil angeordnet, welches ebenfalls Ventilfinger aufweist, die die Auslassbohrung 17 verschließen. Wenn sich der Kolben in der Zylinderbohrung auf die Ventilanordnung 1 zu bewegt, wird das hier nicht dargestellte Druckventil durch den Druck des verdichteten Kältemittels von der der Anlagefläche 13 gegenüberliegenden Fläche der Ventilplatte 3 weggedrückt, sodass ein Kältemittelfluss zwischen der Zylinderbohrung und dem Druckraum stattfinden kann.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, müssen zur Öffnung des Saugventils 5, also zum Abheben des Ventilfingers 7 von der nicht dargestellten Saugbohrung unter dem Ventilfingerkopf 11 , Haftkräfte überwunden werden, welche zwischen dem Ventilfinger 7 und der Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 herrschen. Die Haftkraft zwischen dem Ventilfinger 7 und der Anlagefläche 13 ist umso größer, je größer die Auflagefläche des Ventilfingers 7 auf der Ventilplatte 3 ist. Unter Auflagefläche ist dabei die Summe der Bereiche zu verstehen, in denen sich der Ventilfinger 7 und die Ventilplatte 3 berühren.

Bei bestimmten, insbesondere gasförmigen Kältemitteln ist es erforderlich, die Saugbohrung mit einem kleineren Durchmesser zu versehen. Dadurch verringert sich die auf die hier nicht erkennbare Un- terseite des Ventilfingers 7 wirkende Kraft durch das in dem Saugraum vorhandene Kältemittel. Entsprechend vergrößert sich die Haftkraft zwischen dem Ventilfinger 7 und der Anlagefläche 13, die durch die Saugkraft des Kolbens überwunden werden muss.

Zur Verbesserung der Starteigenschaften sind in der in Figur 1 ab- gebildeten Ventilplatte 3 mehrere Nuten 19 vorgesehen, welche die Auflagefläche des Ventilfingers 7 auf der Anlagefläche 13 verringern. Vorzugsweise sind die Nuten 19 im Bereich des Ventilfingerarms 9 vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, Nuten 19 im Bereich des Ventilfingerkopfs 11 anzuordnen. Entscheidend ist dabei, dass die Nuten 19 nicht mit der hier nicht erkennbaren Saugbohrung in Verbindung stehen, da sich sonst ein Kurzschluss zwischen dem Saugraum und der Zylinderbohrung ergeben würde.

Die Nut 19 ist länglich ausgeführt und erstreckt sich in der Ventilplatte 3 über die gesamte Breite des Ventilfingerarms 9 und reicht über dessen Seitenränder 21 und 23 hinaus. Die in der Ventilplatte 3 vorgesehene Nut 19 steht so einerseits mit der sich an die Ventileinrichtung 1 anschließenden Zylinderbohrung in Verbindung und ist ande- rerseits zwischen dem Ventilfinger 7 und der Ventilplatte 3 angeordnet, beziehungsweise wird von dem Ventilfinger 7 abgedeckt.

Über die Nuten 19 kann somit leichter Kältemittel aus dem Saugraum gelangen, welches die Unterseite des Ventilfingers 7, also die auf der Anlagefläche 13 aufliegende Seite des Ventilfingers 7 quasi unterströmt. Einerseits durch die Unterströmung und andererseits durch die geringere Auflagefläche des Ventilfingers 7 auf der Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 sind so geringere Haftkräfte zu überwinden, die zwischen dem Ventilfinger 7 und der Ventilplatte 3 herr- sehen. Das Startverhalten und der Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine werden dadurch wesentlich verbessert.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Ventileinrichtung 1 gemäß Figur 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, um Wie- derholungen zu vermeiden.

In Figur 2 erkennbar ist die Saugbohrung 25, die von dem Ventilfingerkopf 11 des Ventilfingers abgedeckt wird und an die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Saugventils 5 ein Saugraum anschließt, aus dem zu verdichtendes Kältemittel durch die Saugboh- rung 25 in die Zylinderbohrung gelangen soll.

Figur 2 macht noch einmal deutlich, dass vorzugsweise mindestens eine Nut 19 vorgesehen ist, die einerseits mit der Zylinderbohrung in Verbindung steht und andererseits insbesondere von dem Ventilfingerarm 9 des Ventilfingers 7 abgedeckt ist. Für den Fall, dass sich Nuten 19 in der Unterseite 27 des Ventilfingers 7 befinden, wird die Nut 19 von der Ventilplatte 3 abgedeckt. Figur 3 zeigt eine Ventileinrichtung mit einer Struktur 29 gemäß der Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezυgszeichen versehen, sodass insofern auf die Beschreibung zu den vorangegangenen Figuren verwiesen wird. Der Ventilfinger 7 ist in Figur 3 lediglich ange- deutet.

Die Struktur 29 ist in Figur 3 rein beispielhaft gitterförmig ausgebildet und bereichsweise um die Saugbohrung 25 herum in der Ventilplatte 3 angeordnet, die von dem Ventilfinger 7 zeitweise verschlossen wird. Denkbar ist es auch, dass die Saugbohrung 25 fast vollständig von der Struktur 29 umgeben ist. Vorzugsweise ist unmittelbar um die Saugbohrung 25 herum ein strukturfreier ringförmiger Bereich vorgesehen ist, in dem der Ventilfinger 7 dichtend an der Ventilplatte 3 anliegt. Dadurch, dass der ringförmige dichtende Bereich, der die Saugbohrung 25 vorzugsweise vollständig umgibt, wird ein Kurz- Schluss zwischen dem Saugraum und der Zylinderbohrung vermieden. Der Ventilfingerkopf 11 liegt dann vorzugsweise fast vollständig auf der Struktur 29 auf.

Denkbar ist es darüber hinaus auch, dass die Struktur 29 punktförmige Vertiefungen aufweist, zu der jeweils eine ringförmige Erhe- bung konzentrisch angeordnet ist. Ein Laser könnte somit die Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 oder die Unterseite 27 eines Ventilfingers 7 punktförmig bearbeiten. Das während des Laserprozesses aus der Vertiefung verdrängte Material bildet dann die ringförmige Erhebung.

Durch die mittels eines Lasers eingebrachte Struktur 29 lässt sich insgesamt eine definierte Rauheit erzeugen, welche ein „Kleben" des Ventilfingers 7 an der Ventilplatte 3 vermeidet oder zumindest mini- miert. Durch die Rauheit der Oberfläche wird die Fläche reduziert, in der sich der Ventilfinger 7 und die Ventilplatte 3 berühren. Die Struktur 29 ist hier rein beispielhaft in die Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 eingebracht. Denkbar ist es jedoch auch, die Struktur 29 in die auf der Anlagefläche 13 zeitweise aufliegende Unterseite des Ventilfingers 7 einzubringen. Entscheidend ist lediglich, dass sie definiert mittels eines Lasers hergestellt wird.

Die hier vorgeschlagene Struktur 29 wird mittels eines Laserverfahrens erzeugt. Dadurch sind besonders feine und definierte Struktu- ren realisierbar, die nahezu jede Form aufweisen können. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren weist die Verwendung eines Laserverfahrens zur Erzeugung der Haftminderungsstrukturen den Vorteil auf, dass es kostengünstig, schnell und präzise durchführbar ist.

Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die Struktur 29 über den Bereich hinaus erstreckt, in welchem der Ventilfinger 7 an der Ventilplatte 3 anliegt. Hierdurch können dieselben positiven Effekte der Nuten 19 erzielt werden.

Auch kann vorgesehen sein, dass die Struktur 29 ausschließlich oder auch zusätzlich in dem Ventilfinger 7 vorgesehen ist, wie oben bereits erläutert wurde. In diesem Fall kann sich die Struktur 29 bis an den Seitenrand 21 des Ventilfingers 7 erstrecken. Selbstverständlich kann die Struktur 29 auch im Bereich des Ventilfingerarms 9 in dem Ventilfinger 7 oder in der Ventilplatte 3 angeordnet sein.

Im Folgenden wird auf die mittels eines Lasers erzeugte Struktur 29 anhand von Figur 4 näher eingegangen. Figur 4 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung der Struktur 29 gemäß Figur 3 entlang der Schnittlinie G-G. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die Beschreibung zu den vorangegangenen Figuren verwiesen wird.

Die Schnittansicht gemäß Figur 4 macht deutlich, dass die Struktur 29 Vertiefungen 31 und Erhebungen 33 aufweist, die sich unter, beziehungsweise über die Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 erstrecken. In der in Figur 4 gezeigten Struktur 29 sind zu beiden Seiten der Vertiefungen 31 Erhebungen 33 vorgesehen, die durch Material gebildet werden, welches während des Laserprozesses aus den Vertiefungen 31 verdrängt wird.

Insgesamt zeigt sich, dass die Verwendung eines Laserverfahrens für die Einbringung einer Struktur 29, die Vertiefungen 31 und Erhebungen 33 aufweist, besonders gut geeignet ist. Auf diese Weise lassen sich kostengünstig und schnell beliebig definierte Strukturen und damit eine definierte Oberflächenrauheit schaffen, die präzise in die Anlagefläche 13 der Ventilplatte 3 und/oder in die Unterseite eines Ventilfingers 7 eingebracht werden können.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Einbrin- gung von rauen Strukturen in eine Oberfläche ermöglichen lediglich eine Undefinierte Einbringung von Strukturen, die durch willkürliche, das heißt nicht kontrollierbare chemische beziehungsweise physikalische Materialbearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Ätz- oder Sandstrahlprozesse erzeugt werden. Es ist also bei diesen Verfah- ren nicht möglich, vorher exakt festzulegen, welche Struktur erzeugt werden soll, um die optimale Rauheit zur Verminderung der Adhäsi- onskräfte zwischen dem Ventilfinger 7 und der Ventilplatte 3 zu erzeugen.

Der Einsatz eines Laserverfahrens zur Erzeugung einer Haftverhinderungsstruktur ermöglicht hingegen die Realisierung einer optimier- ten, exakt definierten Struktur, die eine vorher festgelegte Rauheit aufweist, die wiederum an jegliche Anforderungen optimal angepasst werden kann.

Die gewünschte Tiefe der Vertiefungen 31 beziehungsweise die Höhe der Erhebungen 33 und damit die gewünschte Rauheit, können einfach über die Leistung des Lasers, welcher im Übrigen eine geeignete Wellenlänge aufweist, entsprechend angepasst werden. Der Brennpunkt des Laserlichts kann darüber hinaus derart eingestellt werden, dass sehr kleine Strukturen geschaffen werden können.

Es zeigt sich, dass die Verwendung eines Laserverfahrens zur Rea- lisierung von Haftminderungsstrukturen in der Ventilplatte 3 und/oder in dem Ventilfinger 7 besonders vorteilhaft ist.

Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in analoger Weise für vergleichbare Ventilanwendungen in anderen Fluidmaschinen, insbesondere Hydraulik- und Pneumatikmaschinen, eingesetzt wer- den kann. Bezugszeichenliste

1 Ventileinrichtung

3 Ventilplatte

5 Saugventil 7 Ventilfinger

9 Ventilfingerarm

11 Ventilfingerkopf

13 Anlagefläche

15 Ausnehmung 17 Auslassbohrung

19 Nut

21 Seitenwand

23 Seitenwand

25 Saugbohrung 27 Unterseite

29 Struktur

31 Vertiefung

33 Erhebung