DE10057383A1

DE10057383A1 - Ein- oder mehrstufiger Kolbenverdichter und Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Motors für einen ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE10057383A1
Application number: DE10057383A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beetz; Iwan Antufjew; Marco Schroedter; Henning Gold
Original assignee: PNP Luftfedersysteme GmbH
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2000-11-18
Filing date: 2000-11-18
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2020-11-19
Also published as: ATE333589T1; JP2004514089A; US20040052651A1; WO2002040867A1; EP1334278B1; EP1334278A1; DE10057383B4; DE50110509D1

Abstract

Bekannte Kolbenverdichter produzieren einen hohen Anteil an Verlustwärme. Das beeinflusst die Energiebilanz der Kolbenverdichter negativ und erfordert zur Schonung der Kolbenverdichter einen hohen Aufwand an Kühlungsmitteln. DOLLAR A Es wird daher vorgeschlagen, den stets vorhandenen volumenveränderlichen Freiraum (19) am Kolbenverdichter (1) als ein Druck- und Saugraum auszulegen und diesen volumenveränderlichen Freiraum (19) über den Innenraum des elektrischen Motors (2) mit der Atmosphäre zu verbinden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Mo tors für einen ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff des An spruchs 5.

Derartige Kolbenverdichter werden insbesondere in der Fahrzeugindustrie eingesetzt.

Ein solcher Kolbenverdichter in einer zweigestuften Ausführung ist beispielsweise in der DE 197 15 291 A1 näher beschrieben.

Dieser zweistufige Kolbenverdichter besteht aus einem Verdichtergehäuse, in dem eine zylindrische Niederdruckkammer mit einem größeren Niederdruckkolben und eine zy lindrische Hochdruckkammer mit einem kleineren Hochdruckkolben ausgebildet ist. Dabei befinden sich die Niederdruckkammer und die Hochdruckkammer auf einer ge meinsamen Achse und der Niederdruckkolben und der Hochdruckkolben sind einstü ckig ausgeformt und mit einer gemeinsamen Kolbenstange ausgerüstet. Die Nieder druckkammer besitzt einen Einlass mit einem Einlassrückschlagventil, die Hochdruck kammer besitzt einen Auslass mit einem Auslassrückschlagventil und beide Druckräu me sind durch einen Überströmkanal mit einem Überströmrückschlagventil verbunden. In die gemeinsame Kolbenstange des Niederdruckkolbens und des Hochdruckkolbens greift in rechtwinkliger Ausrichtung ein Kurbelzapfen einer Kurbelwelle ein, die von einem Elektromotor angetrieben wird und die ihre rotierende Bewegung in eine lineare Bewegung an der gemeinsamen Kolbenstange umwandelt.

Im Verdichtergehäuse ist weiterhin ein Freiraum ausgebildet, der sich im Bereich zwi schen dem Niederdruckkolben und dem Hochdruckkolben befindet und dessen Größe sich im wesentlichen aus der Differenz der Durchmesser sowie des axialen Abstandes zwischen dem Niederdruckkolben und dem Hochdruckkolben ergibt. Dieser Freiraum ist über eine Ausgleichsöffnung mit der Umwelt verbunden.

Kolbenverdichter dieser Art haben den Nachteil, dass ein wesentlicher Teil der An triebsenergie in Wärme umgewandelt wird und somit den Wirkungsgrad der techni schen Einheit negativ beeinflusst. So produziert der Elektromotor eigene Wärme, die dann in aufwendiger Weise und zum Schutz der Isolierungen abgeführt oder rückge kühlt werden muss. Das begrenzt einerseits die Lebensdauer der elektrischen Motore und erfordert zusätzliche und teuere Kühlmaßnahmen am elektrischen Motor.

Ebenso entsteht am Kolbenverdichter Wärme in erster Linie durch die wiederkehrende Komprimierung der Luft insbesondere in der Hochdruckkammer, aber auch durch eine innere Reibung der im Freiraum zwischen den beiden Druckkammern befindlichen Luft. Die innere Reibung dieser eingeschlossenen Luftmenge im Freiraum ist abhängig von der Auslegung des Kolbenverdichters, stellt aber in jedem Fall eine Verlustleistung dar, für die in unvertretbarer Weise zusätzliche Antriebsleistung aufgebracht werden muss.

Die so entstehende Erwärmung am Kolbenverdichter wird entweder durch eine entspre chende Materialauswahl oder Materialdimensionierung auf ein vertretbares Maß kom pensiert oder die freiwerdende Wärmeenergie wird wiederum aufwendig gekühlt. Das alles beeinträchtigt den Wirkungsgrad der technischen Einheit und macht die tech nische Einheit wegen der erhöhten Kühlmaßnahmen aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Kolbenver dichter und ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Antriebs für einen solchen Kolbenverdichter zu entwickeln, bei dem die Entstehung von Verlustwärme am Kol benverdichter verringert und die Kühlung des elektrischen Motors vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des An sprüche 1 und verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 4 sowie 6 bis 8.

Die Erfindung beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik.

Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die erforderlichen Kühlungsmaßnahmen für den erwärmten Kolbenverdichter gering gehalten werden können, weil durch die Abführung der miterwärmten Luft im Freiraum des Kolbenverdichters die Erwärmung des Kolben verdichters in Grenzen gehalten werden kann. Das vereinfacht den Aufbau des Kolben verdichters und spart Herstellungskosten.

Vorteilhaft ist natürlich auch, dass der elektrische Motor zur Sicherung seiner Lebens dauer nur mit dem Luftstrom des Kolbenverdichters gekühlt wird. Das erspart sonst notwendige aufwendige Kühlmaßnahmen für den elektrischen Motor und spart wieder um Herstellungskosten.

Von besonderem Vorteil dabei ist, dass für die erforderliche Luftbewegung zur Begren zung der Erwärmung im Kolbenverdichter und zur Kühlung des elektrischen Motors keine zusätzliche Antriebsenergie erforderlich wird. Das wirkt sich positiv auf den Wir kungsgrad des Kolbenverdichters aus.

Die erfindungsgemäßen Kolbenverdichter können für alle Schutzarten eingesetzt wer den.

Die Erfindung soll an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen zweistufigen Kolbenverdichters in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des zweistufigen Kolbenverdichters.

Der zweistufige Kolbenverdichter in der ersten Ausführungsform besteht nach der Fig. 1 in der Hauptsache aus dem eigentlichen Kolbenverdichter 1 und einem elektrischen Motor 2, die beide über ein mechanisches Getriebe 3 zur Wandlung der rotierenden Eingangsbewegung des elektrischen Motors 2 in eine oszillierende und lineare Aus gangsbewegung des Kolbenverdichters 1 verbunden sind.

Zum Kolbenverdichter 1 gehört ein Verdichtergehäuse 4 mit einem zylindrischen und im Durchmesser gestuften Innenraum 5, der einerseits mit einem Niederdruckdeckel 6 und andererseits mit einem Hochdruckdeckel 7 nach außen verschlossen ist. Durch die Stufung im Durchmesser des Innenraumes 5 ergibt sich einerseits eine Niederdruck kammer 8 mit einem größeren Durchmesser, in der ein Niederdruckkolben 9 mit Spiel geführt ist und andererseits eine Hochdruckkammer 10 mit einem kleineren Durchmes ser, in dem ein Hochdruckkolben 11 mit Spiel eingepasst ist. Dabei liegen die Nieder druckkammer 8 und die Hochdruckkammer 10 auf einer gemeinsamen Achse. Der Nie derdruckkolben 9 und der Hochdruckkolben 11 sind einstückig ausgeführt und besitzen demnach eine gemeinsame Kolbenstange 12.

Die Niederdruckkammer 8 und die Hochdruckkammer 10 sind in besonderer Weise un tereinander und nach außen verbunden. So besitzt die Niederdruckkammer 8 mindestens einen Einlass 13 mit je einem Einlassrückschlagventil 14, das in Richtung der Nieder druckkammer 8 öffnet, und die Hochdruckkammer 10 einen Auslass 15 mit einem Aus lassrückschlagventil 16, das in Richtung der Hochdruckkammer 10 schließt. Zur not wendigen Verbindung der Niederdruckkammer 8 und der Hochdruckkammer 10 ist die gemeinsame Kolbenstange 12 und der Niederdruckkolben 9 und der Hochdruckkolben 11 mit einem inneren Überströmkanal 17 ausgerüstet, der ein in Richtung der Hoch druckkammer 10 öffnendes Überströmrückschlagventil 18 besitzt.

Mit der Ausführung des im Durchmesser gestuften Innenraumes 5 und der Gestaltung des Niederdruckkolbens 9 und des Hochdruckkolbens 11 ergibt sich innerhalb des In nenraumes 5 und zwischen dem Niederdruckkolben 9 und dem Hochdruckkolben 11 ein Freiraum 19, der für die Bewegungsfreiheit der beiden Niederdruck- bzw. Hochdruck kolben 9, 11 und für die Unterbringung der erforderlichen Elemente des mechanischen Getriebes 3 benötigt wird. Dieses mechanische Getriebe ist beispielsweise ein Kurbel wellengetriebe. Dementsprechend ist auch die gemeinsame Kolbenstange 12 mit Mitteln zur Kraftübertragung ausgerüstet.

Erfindungsgemäß ist dieser Freiraum 19 über mindestens eine erste Gehäuseöffnung 20 mit dem Innenraum des mechanischen Getriebes 3 und weiterhin über mindestens eine zweite Gehäuseöffnung 21 mit dem Innenraum des elektrischen Motors 2 verbunden. Ein oder mehrere dritte Gehäuseöffnungen 22 verbinden den Innenraum des elektri schen Motors 2 mit dem atmosphärischen Umfeld. Diese dritten Gehäuseöffnungen 22 befinden sich weitestgehend entfernt von den zweiten Gehäuseöffnungen 21, um einen möglichst großen Strömungsbereich innerhalb des Motors 2 zu erhalten.

Zur Gewährleistung einer hohen Schutzart für den elektrischen Motor 2 sind die dritten Gehäuseöffnungen 22 über geeignete Mittel außerhalb des Schmutz- und Wasserge fährdungsbereiches gelegt.

Die zweite Ausführungsform des zweistufigen Kolbenverdichters gemäß der Fig. 2 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die erste Ausführungsform. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die zweite Ausführungs Form mit einer zusätzlichen An saugkammer 23 ausgerüstet, die in Strömungsrichtung vor dem Einlass 13 zur Nieder druckkammer 8 angeordnet ist und die einerseits über eine Einlassöffnung 24 Verbin dung zur Atmosphäre hat und andererseits über einen Verbindungskanal 25 mit dem In nenraum des mechanischen Getriebes 3 verbunden ist. Über die erste Gehäuseöffnung 20 und über die zweite Gehäuseöffnung 21 ist damit die Ansaugkammer 23 auch mit dem Freiraum 19 im Verdichtergehäuse 4 und mit dem Innenraum des elektrischen Mo tors 2 verbunden. Dagegen ist der Innenraum des elektrischen Motors 2 gegenüber der Außenwelt hermetisch abgetrennt. Die Ansaugkammer 23 kann natürlich auch als ein offener Ansaugbereich ausgebildet sein.

Zur Gewährleistung der geforderten hohen Schutzart für den elektrischen Motor 2 ist die Einlassöffnung 24 für die Ansaugkammer 23 wiederum über geeignete Mittel au ßerhalb des Schmutz- und Wassergefährdungsbereiches gelegt.

Für beide Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 besteht eine zweckmäßige Aus gestaltung darin, den Freiraum 19 über ein oder mehrere Ansaugbohrungen 26 mit ei nem passenden und in Richtung des Freiraumes 19 öffnendes Einlassrückschlagventil 27 mit der Atmosphäre zu verbinden.

Damit wird zur Kühlung des Motors 2 ständig frische und kühle Luft von außen zuge führt und erwärmte Luft über die dritten Gehäuseöffnungen im Motor 2 oder über die Einlassöffnung 24 der Ansaugkammer 23 ins Freie abgegeben.

Die Wirkungsweise eines Kolbenverdichters ist allgemein bekannt und braucht hier nur im wesentlichen wiedergegeben zu werden.

Die drehende Bewegung der Antriebswelle des elektrischen Motors 2 wird mit Hilfe des mechanischen Getriebes 3 in eine oszillierenden Linearbewegung umgewandelt und auf die gemeinsame Kolbenstange 12 übertragen. Damit bewegen sich gleichermaßen der Niederdruckkolben 9 und der Hochdruckkolben 11 zwischen zwei gegenüberliegenden Umkehrpunkten und bilden so zwei sich im Volumen wechselweise verändernde Druckkammern. Dieser Bewegungsablauf und die Funktionen des Einlassrückschlag ventiles 14, des Überströmdruckbegrenzungsventiles 18 und des Auslassrückschlagven tiles 16 sorgen dafür, dass Luft stoßweise aus der Atmosphäre in die Niederdruckkam mer 8 angesaugt, über den Überströmkanal 17 in die Hochdruckkammer 10 befördert und dort komprimiert und ausgestoßen wird.

Der Bewegungsablauf der beiden Nieder- und Hochdruckkolben 9, 11 bringt es glei chermaßen mit sich, dass sich auch der Freiraum 19 des Verdichtergehäuses 4 wechsel weise vergrößert und verkleinert, sodass die dort befindliche Luft wechselweise über die erste Gehäusebohrung 20 in den Innenraum des mechanischen Getriebes 3 und über die zweite Gehäusebohrung 21 in den Innenraum des elektrischen Motors 2 und von dort über dritte Gehäusebohrung 22 ins Freie ausgestoßen und anschließend im Gegenzuge wieder angesaugt wird. Damit wird die Luft in diesem Bereich in Bewegung gehalten und praktisch hin- und hergeschoben. Im Falle der Verwendung eines Einlass rückschlagventiles 27 im Freiraum 19 wird über dieses Einlassrückschlagventil 27 Luft von außen angesaugt und über die entfernt liegende dritte Gehäuseöffnung 22 ins Freie abgegeben. Die so oder so bewegte Luft dient dabei als Kühlmittel für den elektrischen Motor.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die benötigte Luft bei einem sich vergrößernden Freiraum 19 im Verdichtergehäuse 4 über die Einlassöffnung 24, der Ansaugkammer 23 und dem Verbindungskanal 25, und im Falle der Verwendung des Einlassrückschlagventiles 27 auch über dieses Einlassrückschlagventil 27, angesaugt und damit der Freiraum 19 befüllt. Bei einem sich verkleinernden Freiraum 19 wird, wie die Pfeile in der Fig. 2 zeigen, die im Freiraum 19 befindliche Luft ausgestoßen und über den Verbindungskanal 25 zunächst in die Ansaugkammer 23 befördert. Da die Niederdruckkammer 8 sich im gleichen Zuge vergrößert und Luft ansaugt, gelangt die aus dem Freiraum 19 bereitgestellte Luft gleich wieder in den Niederdruckraum 8. Zum Volumenausgleich zwischen dem Luftbedarf der Niederdruckkammer 8 und der aus dem Freiraum 19 bereitgestellten Luft wird zusätzlich Luft über die Einlassöffnung 24 angesaugt. Bei dem Befüllungsvorgang der Ansaugkammer 23 sind die statischen Druckverhältnisse so geregelt, dass sich in der Ansaugkammer 23 ein den Öffnungsvor gang der Einlassrückschlagventile 14 unterstützender Druck einstellt. Dieses Verhalten des Einlassrückschlagventiles 14 wird zusätzlich durch die dynamischen Drückverhält nisse unterstützt, die durch die Strömungs- und Schwingungskräfte der bewegten Luft hervorgerufen werden. Das verbessert den Befüllungsvorgang der Niederdruckkammer 8 und verbessert damit den Wirkungsgrad des Kolbenverdichters 1. Die so zwischen dem Freiraum 19 und der Ansaugkammer 23 bewegte Luft durchströmt natürlich auch den Innenraum des elektrischen Motors 2 und dient dabei wieder als Kühlmittel für den elektrischen Motor 2.

Liste der Bezugszeichen

1

Kolbenverdichter

2

elektrischer Motor

3

mechanisches Getriebe

4

Verdichtergehäuse

5

Innenraum

6

Niederdruckdeckel

7

Hochdruckdeckel

8

Niederdruckkammer

9

Niederdruckkolben

10

Hochdruckkammer

11

Hochdruckkolben

12

gemeinsame Kolbenstange

13

Einlass

14

Einlassrückschlagventil

15

Auslass

16

Auslassrückschlagventil

17

Überströmkanal

18

Überströmrückschlagventil

19

Freiraum

20

erste Gehäuseöffnung

21

zweite Gehäuseöffnung

22

dritte Gehäuseöffnung

23

Ansaugkammer

24

Einlassöffnung

25

Verbindungskanal

26

Ansaugbohrung

27

Einlassrückschlagventil

Claims

1. Ein- oder mehrstufiger Kolbenverdichter, bestehend aus einem Kolbenver dichter (1), einem elektrischen Motor (2) und einem mechanischen Getriebe (3), das die rotierende Bewegung des elektrischen Motors (2) in eine oszillierende lineare Bewe gung umwandelt und auf den Kolbenverdichter (1) überträgt, wobei ein einstufiger Kol benverdichter aus einer volumenveränderlichen Druckkammer mit einem Druckkolben besteht und ein mehrstufiger Kolbenverdichter (1) mindestens eine volumenveränderli che Niederdruckkammer (8) mit einem Niederdruckkolben (9) und mindestens eine vo lumenveränderliche Hochdruckkammer (10) mit einem Hochdruckkolben (11) besitzt und die Niederdruckkammer (8) und die Hochdruckkammer (10) des mehrstufigen Kol benverdichters (1) durch einen Überströmkanal (17) verbunden sind und der Nieder druckkolben (9) und der Hochdruckkolben (11) einstückig ausgeführt sind und zwi schen dem Niederdruckkolben (9) und dem Hochdruckkolben (11) ein volumenverän derlicher Freiraum (19) gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der volumenveränderliche Freiraum (19) des Kolben verdichters (1) als Druck- und Saugraum ausgelegt ist und über den Innenraum des e lektrischen Motors (2) mit der Atmosphäre verbunden ist.

2. Ein- und mehrstufiger Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der volumenveränderliche Freiraum (19) über ein Ein lassrückschlagventil (27) Verbindung zur Atmosphäre hat.

3. Ein- oder mehrstufiger Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckkammer (8) eine Ansaugkammer (23) vorgeschaltet ist und die Ansaugkammer (23) einerseits mit der Niederdruckkammer (8) und andererseits mit dem Innenraum des elektrischen Motors (2) und mit der Atmosphä re Verbindung hat.

4. Ein- oder mehrstufiger Kolbenverdichter nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (24) der Ansaugkammer (23) oder die dritte Gehäuseöffnung (22) des elektrischen Motors (2) zur Sicherung der Schutzart des elektrischen Motors (2) außerhalb des Schmutz- und Wassergefährdungsbereiches gelegt sind.

5. Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Motors (2) für einen ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichter (1), dadurch gekennzeichnet, dass die von einem zwischen zwei benachbarten Druckkol ben unterschiedlicher Größe gelegenen und volumenveränderlichen Freiraum (19) des Kolbenverdichters (1) angesaugte und ausgestoßene Luft als Kühlmittel für den elektri schen Motor (2) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kolbenverdichter (1) bewegte Luft wechsel weise über den Innenraum des elektrischen Motors (2) aus der Atmosphäre angesogen und in die Atmosphäre abgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kolbenverdichter (1) bewegte Luft separat aus der Atmosphäre angesogen und über den Innenraum des elektrischen Motors (2) in die Atmosphäre abgeführt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kolbenverdichter (1) bewegte Luft über den Innenraum des elektrischen Motors (2) gleichzeitig in die Niederdruckkammer (8) des Kolbenverdichters (1) geführt wird.