AT512923B1 - Zylinderkopf für zweistufigen Hubkolbenverdichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für einen zweistufigen Hubkolbenverdichter, mit einem als gekühlter Überströmkanal (14) zwischen Druckseite der ersten Stufe und Saugseite der zweiten Stufe ausgebildeten Zwischenkühler (9), wobei der Überströmkanal (14) einen im Wesentlichen schlitzartigen Querschnitt aufweist und der Überströmkanal (14) zusätzlich durch zumindest eine indirekt gekühlte Mittelrippe (15) geteilt ist so dass daraus mindestens zwei Überströmkanalteile (14') und (14") entstehen wobei der Zylinderkopf (1) einen Zylinderkopfoberteil (2) und einen Zylinderkopfunterteil (3) aufweist, der Querschnitt der indirekt gekühlten Mittelrippe (15) in ihrer Längserstreckung unter Bildung eines Durchgangsspaltes zwischen den beidseitig verlaufenden Überströmkanalteilen (14') und (14") geteilt ist, und ein Teil der Mittelrippe (15) aus dem Zylinderkopfoberteil (2) und der andere Teil der Mittelrippe (15) aus dem Zylinderkopfunterteil (3) ausgeformt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT512 923B1 2013-12-15

Beschreibung

ZYLINDERKOPF FÜR ZWEISTUFIGEN HUBKOLBENVERDICHTER

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen zweistufigen Hubkolbenverdichter, mit einem als gekühlter Überströmkanal zwischen Druckseite der ersten Stufe und Saugseite der zweiten Stufe ausgebildeten Zwischenkühler, wobei der Überströmkanal einen im Wesentlichen schlitzartigen Querschnitt aufweist und der Überströmkanal zusätzlich durch zumindest eine indirekt gekühlte Mittelrippe geteilt ist so dass daraus mindestens zwei Überströmkanalteile entstehen.

[0002] Heutzutage weisen Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise LKWs, Busse, Baumaschinen oder auch Schienenfahrzeuge, zumeist druckluftunterstützt betätigbare Bremsen auf, zu deren Versorgung mit Druckluft üblicherweise ein von der als Antrieb des Fahrzeuges dienenden Brennkraftmaschine angetriebener Kompressor vorgesehen ist, der oft auch weitere Teilsysteme des Fahrzeugs, wie etwa die Luftfederung, versorgt. Der die Saug- und Druckventile samt den zugehörigen Zu- und Ableitkanälen aufweisende Zylinderkopf dieses Kompressors ist heutzutage zumeist in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert, damit auch bei längere Zeit auf hohem Drehzahlniveau laufendem Kompressor bzw. längere Zeit erforderlicher hoher Kompressionsleistung das Temperaturniveau des Kompressors entsprechend niedrig gehalten werden kann. Temperaturprobleme treten damit hauptsächlich im Druckgas auf, welches bei zweistufigen Hubkolbenverdichtern tunlichst nicht erst am Ausgang des Hubkolbenverdichters sondern bereits vor dem Eintritt in die zweite Verdichterstufe möglichst verlustlos gekühlt werden sollte, damit die auftretenden Maximaltemperaturen des Gases einen gewissen Wert nicht überschreiten. Weiters hat eine, in Bezug auf die zweite Verdichterstufe, geringere Eintrittstemperatur des Gases eine Leistungssteigerung des Hubkolbenverdichters zufolge.

[0003] Die angesaugte Umgebungsluft wird üblicherweise über das Saugrohr der ersten Stufe in deren Saugkammer geleitet. Nach einem Arbeitshub des Kolbens der ersten Stufe gelangt sie als Druckgas über das Druckventil in die Druckkammer der ersten Stufe. Über einen als gekühlter Überströmkanal zwischen Druckseite der ersten Stufe und Saugseite der zweiten Stufe ausgebildeten Zwischenkühler wird das Druckgas in die Saugkammer der zweiten Stufe geleitet, weiter verdichtet und verlässt, nach dieser zweimaligen Verdichtung, den Hubkolbenverdichter. Bekannt sind derartige Zwischenkühler in verschiedenen Ausführungen seit langem, wobei allerdings zumeist mit separat gekühlten Wandelementen oder dergleichen gearbeitet wird.

[0004] Aus der DE 10 2005 012 202 A1 ist ein Zylinderkopf der eingangs genannten Art bekannt bei dem die Druckkammer der ersten Stufe und die Saugkammer der zweiten Stufe zu einer Zwischenkammer mit wassergekühlten Stegen zusammengefasst sind. In der vorzugsweisen Ausführung sind diese wassergekühlten Stege als Gussteile ausgeführt. Eine andere Ausgestaltung sieht die Nutzung eines Blechformteiles, der die wassergekühlten Stege bildet, vor. Beide Varianten sehen vor, dass jeder der Stege wassergekühlt ausgeführt ist. Da der kühlwasserführende Querschnitt der Stege, um Strömungsabriss und erhöhte Reibung im Kühlwasser zu vermeiden, nicht beliebig verkleinert werden kann, steht der zu kühlenden Druckluft infolge des beschränkten Bauraums im Zylinderkopf, nur noch ein stark eingeschränktes Volumen zur Verfügung. Aus diesem Grund kann also der Wärmeübergang aus dem Druckgas in die Zylinderkopfkühlung bei der bekannten Ausführung nicht weiter optimiert werden.

[0005] Die DE 2905720 A1 zeigt einen Zylinderkopf für zumindest zweistufige Kompressoren, bei welchem der Überströmkanal zwischen Druckseite der ersten Stufe und Saugseite der zweiten Stufe dahingehend als Zwischenkühler ausgeführt ist, dass besagter Überströmkanal von einem Kühlmittelraum umgeben ist. Als weitere Maßnahme zur Ableitung von Wärme, sind Rippen, welche in die Niederdruckkammer hineinragen und nicht vom Kühlmedium durchflossen sind, vorgesehen. Da die zusätzlichen Rippen direkt oberhalb des Druckventils der ersten Stufe angeordnet sind, ist eine weitere Steigerung der Kühlleistung, beispielsweise durch Verlängerung der Rippen oder die Vergrößerung der Kühloberfläche in einer anderen Art, nicht 1 /6 österreichisches Patentamt AT512 923B1 2013-12-15 möglich.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die erwähnten Nachteile der bekannten Ausführung vermieden werden und, dass insbesondere die Kühlwirkung auf das Druckgas zwischen den beiden Stufen, unter Beibehaltung einer einfachen Herstellungsmöglichkeit, verbessert werden kann.

[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass der Zylin-derkopf einen Zylinderkopfoberteil und eine Zylinderkopfunterteil aufweist, der Querschnitt der indirekt gekühlten Mittelrippe in ihrer Längserstreckung unter Bildung eines Durchgangsspaltes zwischen den beidseitig verlaufenden Überström kanalteilen und geteilt ist, und ein Teil der Mittelrippe aus dem Zylinderkopfoberteil und der andere Teil der Mittelrippe aus dem Zylinderkopfunterteil ausgeformt ist.

[0008] Dies führt neben einer weiteren Vergrößerung der Oberfläche an der Wärmeaustausch stattfinden kann, zur Einsparung einer Kontaktfläche/Dichtfläche und somit zur Reduzierung von Fertigungsaufwand und damit verbundenen Kosten. Die indirekt gekühlte Mittelrippe hat bei einer Fußbreite die weniger als einem Drittel der Fußbreite einer üblichen wassergekühlten Rippe entspricht, in Bezug auf die abgeführte Wärme, keinerlei Nachteile und hinsichtlich der Herstellung und Betriebsführung (keine zusätzliche Zuführung von Kühlmedium notwendig) für den Fachmann ohne weiteres erkennbare Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Dies erlaubt die einfache Optimierung der Querschnittsverhältnisse, ohne zusätzlichen Platzbedarf und Fertigungsaufwand, beispielsweise für das fertigen weiterer Kühlmedium führender Kanäle, bei einer drastischen Vergrößerung der Oberfläche an der der Wärmeübergang zur Kühlung des Druckgases stattfinden kann.

[0009] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Zylinderkopf mehrere Überströmka-näle vorhanden sind, die jeweils von zumindest einer ungekühlten Mittelrippe geteilt sind, was die Wärmeableitung weiter verbessert. Dabei kann weiters sowohl die Fußbreite der Mittelrippe, als auch die Breite der entstehenden schlitzartigen Kanäle in Längsrichtung variieren.

[0010] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Mittelrippe einen, zumindest annähernd, rechteckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist. Dies ermöglicht die Herstellung der Mittelrippe mittels einer Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsmethoden die sowohl spanende als auch spanlose Verfahren einschließen.

[0011] Entsprechend einer anderen Weiterbildung der Erfindung, verlaufen die Überströmkanä-le von der Druckkammer der ersten Stufe zur Saugkammer der zweiten Stufe, wobei die Summe der Volumina vom Druckkammer der ersten Stufe, Zwischenkühler und Saugkammer der zweiten Stufe größer ist als das während eines Kompressionszyklus ausgeschobene Volumen der ersten Stufe. Dies hat zur Folge, dass das Gas längere Zeit im Zwischenkühler verbleibt und somit möglichst viel der im Zuge der Verdichtung entstandenen Wärme abgibt.

[0012] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigen. Dabei zeigt Fig. 1 den Ober- und Unterteil des Zylinderkopfs in perspektivische Ansicht von oben (also in Richtung der sich darunter vorzustellenden Zylinder des nicht weiter dargestellten Hubkolbenverdichters) und Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch den Unterteil des Zylinderkopfs entlang der Linie ll-ll in Fig. 4. Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf den Oberteil des Zylinderkopfs, Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 das Detail V in Fig. 4.

[0013] Der dargestellte Zylinderkopf 1 besteht im Wesentlichen aus einem Zylinderkopfoberteil 2 und einem Zylinderkopfunterteil 3. Im Zylinderkopfoberteil 2 befinden sich eine Ansaugöffnung 4 und eine Drucköffnung 18. Über die Ansaugöffnung 4 wird das zu verdichtende Gas, infolge der Abwärtsbewegung eines nicht dargestellten Kolbens des Hubkolbenverdichters, über die Saugkammer 5 in den Zylinder der ersten Stufe gesaugt, wobei das nicht weiter dargestellte Säugventil unter den Saugventilöffnungen 6 geöffnet ist.

[0014] Infolge der Aufwärtsbewegung des erwähnten Kolbens wird das Säugventil geschlossen 2/6 österreichisches Patentamt AT512 923 B1 2013-12-15 und das Druckgas gelangt über das geöffnete Druckventil und dessen Drückventilöffnungen 7 in die Druckkammer 8 der ersten Stufe.

[0015] Durch die Aufwärtsbewegung des ersten Kolbens, dem damit verbundenen Ausschieben und der gleichzeitigen Abwärtsbewegung des zweiten Kolbens und dem damit verbundenen Ansaugen, wird das Druckgas durch den Zwischenkühler 9 in die Saugkammer 10 der zweiten Stufe und über das geöffnete Säugventil und dessen Saugventilöffnungen 11 in den zweiten Zylinder des Hubkolbenverdichters gefördert.

[0016] Im Zuge der Aufwärtsbewegung des zweiten Kolbens des Hubkolbenverdichters wird das Säugventil der zweiten Stufe geschlossen, das Druckventil der zweiten Stufe geöffnet und das Druckgas über die Druckventilöffnungen 16 in die Druckkammer 17 der zweiten Stufe ausgeschoben. Das zweifach verdichtete Druckgas verlässt den Hubkolbenverdichter über die Drucköffnung 18 im Zylinderkopfoberteil 2.

[0017] Wie in Fig. 4 und Fig. 5 erkennbar besteht der Zwischenkühler 9 aus, über Wasserkanäle 12 direkt gekühlten Rippen 13 die den Überströmkanal 14 bilden, welcher zusätzlich durch eine indirekt gekühlte Mittelrippe 15 geteilt ist so dass daraus mindestens zwei Überströmkanal-teile 14' und 14" entstehen deren Querschnitt in einer Dimension wesentlich kleiner als quer dazu ist wobei auch mehrere Überströmkanäle 14 vorhanden sein können, die jeweils von zumindest einer ungekühlten Mittelrippe 15 geteilt werden.

[0018] Die Wasserkanäle 12, die direkt gekühlten Rippen 13 und die indirekt gekühlte Mittelrippe 15, sind dabei sowohl im Zylinderkopfoberteil 2 als auch im Zylinderkopfunterteil 3 ausgeformt. Davon abgesehen könnte einer der beiden Zylinderkopfteile 2 oder 3 auch mit einem glatten Deckel, in welchem keine Kanäle ausgeformt sind, kombiniert werden.

[0019] Weiters ist in Fig. 5 wie auch in Fig. 4 erkennbar, dass der Querschnitt der indirekt gekühlte Mittelrippe 15 in ihrer Längserstreckung unter Bildung eines Durchgangsspaltes zwischen den beidseitig verlaufenden Überströmkanalteilen 14' und 14" geteilt ist, was zu den bereits erwähnten Vorteilen führt. Zu beachten ist, dass die indirekt gekühlte Mittelrippe 15 neben einem, wie in Fig.4 und Fig.5 dargestellt, zumindest annähernd rechteckförmigen auch einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen kann.

[0020] Die in Fig. 1, Fig. 2, und Fig. 3 erkennbaren Montagebohrungen 19-19"" und 20-20"" sind für die Fixierung des Zylinderkopfs 1 auf einem darunter vorzustellenden Zylinder des nicht weiter dargestellten Hubkolbenverdichters vorgesehen.

[0021] Abgesehen von der konkreten Ausführung für einen zweistufigen Hubkolbenverdichter könnte ein derartig ausgeführter Zwischenkühler natürlich auch für drei- oder mehrstufige Hubkolbenverdichter Anwendung finden. 3/6

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT512 923 B1 2013-12-15 Patentansprüche 1. Zylinderkopf (1) für einen zweistufigen Hubkolbenverdichter, mit einem als gekühlter Über-strömkanal (14) zwischen Druckseite der ersten Stufe und Saugseite der zweiten Stufe ausgebildeten Zwischenkühler (9), wobei der Überströmkanal (14) einen im Wesentlichen schlitzartigen Querschnitt aufweist und der Überströmkanal (14) zusätzlich durch zumindest eine indirekt gekühlte Mittelrippe (15) geteilt ist so dass daraus mindestens zwei Überströmkanalteile (14') und (14") entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) einen Zylinderkopfoberteil (2) und einen Zylinderkopfunterteil (3) aufweist, der Querschnitt der indirekt gekühlten Mittelrippe (15) in ihrer Längserstreckung unter Bildung eines Durchgangsspaltes zwischen den beidseitig verlaufenden Überströmkanalteilen (14') und (14") geteilt ist, und ein Teil der Mittelrippe (15) aus dem Zylinderkopfoberteil (2) und der andere Teil der Mittelrippe (15) aus dem Zylinderkopfunterteil (3) ausgeformt ist.
2. 2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Überströmka-näle (14) vorhanden sind, die jeweils von zumindest einer indirekt gekühlten Mittelrippe (15) geteilt sind.
3. 3. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Fußbreite der indirekt gekühlten Mittelrippe (15), als auch die Breite der entstehenden schlitzartigen Überströmkanalteilen (14') und (14") in Längsrichtung variiert.
4. 4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekt gekühlte Mittelrippe (15) einen zumindest annähernd rechteckförmigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
5. 5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (14) von der Druckkammer (8) der ersten Stufe zur Saugkammer (10) der zweiten Stufe verläuft, wobei die Summe der Volumina vom Druckkammer (8) der ersten Stufe, Zwischenkühler (9) und Saugkammer (10) der zweiten Stufe größer ist als das während eines Kompressionszyklus ausgeschobene Volumen der ersten Stufe Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6