DE10057383B4

DE10057383B4 - Mehrstufiger Kolbenverdichter und Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Motors für einen mehrstufigen Kolbenverdichter

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Publication number: DE10057383B4
Application number: DE10057383A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beetz; Iwan Antufjew; Marco SCHRÖDTER; Henning Prof. Dr.-Ing. Gold
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2000-11-18
Filing date: 2000-11-18
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2020-11-19
Also published as: ATE333589T1; JP2004514089A; US20040052651A1; WO2002040867A1; DE10057383A1; EP1334278B1; EP1334278A1; DE50110509D1

Abstract

Mehrstufiger Kolbenverdichter, bestehend aus einem Kolbenverdichter (1), einem elektrischen Motor (2) und einem mechanischen Getriebe (3), das die rotierende Bewegung des elektrischen Motors (2) in eine oszillierende lineare Bewegung umwandelt und auf den Kolbenverdichter (1) überträgt, wobei der Kolbenverdichter (1) mindestens eine volumenveränderliche Niederdruckkammer (8) mit einem Einlass (13) im Verdichtergehäuse und mit einem Niederdruckkolben (9) und mindestens eine volumenveränderliche Hochdruckkammer (10) mit einem Auslass (15) und mit einem Hochdruckkolben (11) besitzt und die Niederdruckkammer (8) und die Hochdruckkammer (10) des mehrstufigen Kolbenverdichters (1) durch einen Überströmkanal (17) verbunden sind und der Niederdruckkolben (9) und der Hochdruckkolben (11) einstückig ausgeführt sind und zwischen dem Niederdruckkolben (9) und dem Hochdruckkolben (11) ein volumenveränderlicher Freiraum (19) gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der volumenveränderliche Freiraum (19) des Kolbenverdichters (1) als Druck- und Saugraum für einen separaten Kühlluftstrom ausgelegt ist und dieser Freiraum (19) über den Innenraum des elektrischen Motors (2) mit der...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Motors für einen mehrstufgen Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Derartige Kolbenverdichter werden insbesondere in der Fahrzeugindustrie eingesetzt.

Mit der DE 197 26 943 A1 , der DE 44 29 098 A1 und der US 4 743 176 sind einstufige Kolbenverdichter bekannt, die entweder durch den Saugstrom oder durch einen vom Saugstrom abgezweigten Teilstrom gekühlt werden. Das ist technisch sehr aufwendig, weil zusätzliche Steuerungstechnik erforderlich wird und das ist in der Verdichtung uneffektiv, weil die Saugkammer des Kolbenverdichters nur unzureichend gefüllt wird.

Aus der DE 197 15 291 A1 ist nun ein weiterer Kolbenverdichter bekannt, der zweistufig ausgeführt ist. Dieser zweistufige Kolbenverdichter besteht aus einem Verdichtergehäuse, in dem eine zylindrische Niederdruckkammer mit einem größeren Niederdruckkolben und eine zylindrische Hochdruckkammer mit einem kleineren Hochdruckkolben ausgebildet ist. Dabei befinden sich die Niederdruckkammer und die Hochdruckkammer auf einer gemeinsamen Achse und der Niederdruckkolben und der Hochdruckkolben sind einstückig ausgeformt und mit einer gemeinsamen Kolbenstange ausgerüstet. Die Niederdruckkammer besitzt einen Einlass mit einem Einlassrückschlagventil, die Hochdruckkammer besitzt einen Auslass mit einem Auslassrückschlagventil und beide Druckräume 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 zwischen 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 Antriebsenergie in Wärme umgewandelt wird und somit den Wirkungsgrad der technischen Einheit negativ beeinflusst. So produziert der Elektromotor eigene Wärme, die dann in aufwendiger Weise und zum Schutz der Isolierungen abgeführt oder rückgekühlt 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 entsprechende Materialauswahl oder Materialdimensionierung auf ein vertretbares Maß kompensiert oder die freiwerdende Wärmeenergie wird wiederum aufwendig gekühlt.

Das alles beeinträchtigt den Wirkungsgrad der technischen Einheit und macht die technische Einheit wegen der erhöhten Kühlmaßnahmen aufwendig und teuer.

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

Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale des Anspruchs 1 und verfahrensseitig durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 7.

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 Kolbenverdichters in Grenzen gehalten werden kann. Das vereinfacht den Aufbau des Kolbenverdichters und spart Herstellungskosten.

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

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

Die erfindungsgemäßen Kolbenverdichter können für alle Schutzarten eingesetzt werden.

Die Erfindung soll an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen zweistufigen Kolbenverdichters in einer ersten Ausführungsform und
2: eine andere Ausführungsform des zweistufigen Kolbenverdichters.
Der zweistufige Kolbenverdichter in der ersten Ausführungsform besteht nach der 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 Ausgangsbewegung 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 Niederdruckkammer 8 mit einem größeren Durchmesser, in der ein Niederdruckkolben 9 mit Spiel geführt ist und andererseits eine Hochdruckkammer 10 mit einem kleineren Durchmesser, in dem ein Hochdruckkolben 11 mit Spiel eingepasst ist. Dabei liegen die Niederdruckkammer 8 und die Hochdruckkammer 10 auf einer gemeinsamen Achse. Der Niederdruckkolben 4 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 untereinander und nach außen verbunden. So besitzt die Niederdruckkammer 8 mindestens einen Einlass 13 mit je einem Einlassrückschlagventil 14, das in Richtung der Niederdruckkammer 8 öffnet, und die Hochdruckkammer 10 einen Auslass 15 mit einem Auslassrückschlagventil 16, das in Richtung der Hochdruckkammer 10 schließt. Zur notwendigen Verbindung der Niederdruckkammer 8 und der Hochdruckkammer 10 ist die gemeinsame Kolbenstange 12 und der Niederdruckkolben 4 und der Hochdruckkolben 11 mit einem inneren Überströmkanal 17 ausgerüstet, der ein in Richtung der Hochdruckkammer 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 Innenraumes 5 und zwischen dem Niederdruckkolben 4 und dem Hochdruckkolben 11 ein Freiraum 14, der für die Bewegungsfreiheit der beiden Niederdruck- bzw. Hochdruckkolben 4, 11 und für die Unterbringung der erforderlichen Elemente des mechanischen Getriebes 3 benötigt wird. Dieses mechanische Getriebe ist beispielsweise ein Kurbelwellengetriebe. Dementsprechend ist auch die gemeinsame Kolbenstange 12 mit Mitteln zur Kraftübertragung ausgerüstet.
Erfindungsgemäß ist dieser Freiraum 14 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 elektrischen Motors 2 mit dem atmosphärischen Umfeld. Diese drillen Gehäuseöffnungen 22 befinden sich weitestgehend entfernt von den zweiten Gehäuseöffnungen 21, um einen möglichst großen Strömungsbereich innerhalb des Motors 2 zu erhaben.
Zur Gewährleistung einer hohen Schutzart für den elektrischen Motor 2 sind die drillen Gehäuseöffnungen 22 über geeignete Mittel außerhalb des Schmutz- und Wassergefährdungsbereiches gelegt.
Die zweite Ausführungsform des zweistufigen Kolbenverdichters gemäß der 2 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die erste Ausführungsform. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die zweite Ausführungsform mit einer zusätzlichen Ansaugkammer 23 ausgerüstet, die in Strömungsrichtung vor dem Einlass 13 zur Niederdruckkammer 8 angeordnet ist und die einerseits über eine Einlassöffnung 24 Verbindung zur Atmosphäre hat und andererseits über einen Verbindungskanal 25 mit dem Innenraum 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 14 im Verdichtergehäuse 4 und mit dem Innenraum des elektrischen Motors 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 außerhalb des Schmutz- und Wassergefährdungsbereiches gelegt.
Für beide Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 besteht eine zweckmäßige Ausgestaltung darin, den Freiraum 19 über ein oder mehrere Ansaugbohrungen 26 mit einem 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 zugeführt 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 4 und der Hochdruckkolben 11 zwischen zwei gegenüberliegenden Umkehrpunkten und bilden so zwei sich im Volumen wechselweise verändernde Druckkammern. Dieser Bewegungsablauf und die Funktionen des Einlassrückschlagventiles 14, des Überströmdruckbegrenzungsventiles 18 und des Auslassrückschlagventiles 16 sorgen dafür, dass Luft stoßweise aus der Atmosphäre in die Niederdruckkammer 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 gleichermaßen mit sich, dass sich auch der Freiraum 19 des Verdichtergehäuses 4 wechselweise 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 Gegenzeuge wieder angesaugt wird. Damit wird die Luft in diesem Bereich in Bewegung gehalten und praktisch hin- und hergeschoben. Im Falle der Verwendung eines Einlassrückschlagventiles 27 im Freiraum 14 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 14 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 14 befüllt. Bei einem sich verkleinernden Freiraum 14 wird, wie die Pfeile in der 2 zeigen, die im Freiraum 14 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 14 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 Öffnungsvorgang der Einlassrückschlagventile 14 unterstützender Druck einstellt. Dieses Verhalten des Einlassrückschlagventiles 14 wird zusätzlich durch die dynamischen Druckverhältnisse 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 14 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.

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

Mehrstufiger Kolbenverdichter, bestehend aus einem Kolbenverdichter (1), einem elektrischen Motor (2) und einem mechanischen Getriebe (3), das die rotierende Bewegung des elektrischen Motors (2) in eine oszillierende lineare Bewegung umwandelt und auf den Kolbenverdichter (1) überträgt, wobei der Kolbenverdichter (1) mindestens eine volumenveränderliche Niederdruckkammer (8) mit einem Einlass (13) im Verdichtergehäuse und mit einem Niederdruckkolben (9) und mindestens eine volumenveränderliche Hochdruckkammer (10) mit einem Auslass (15) und mit einem Hochdruckkolben (11) besitzt und die Niederdruckkammer (8) und die Hochdruckkammer (10) des mehrstufigen Kolbenverdichters (1) durch einen Überströmkanal (17) verbunden sind und der Niederdruckkolben (9) und der Hochdruckkolben (11) einstückig ausgeführt sind und zwischen dem Niederdruckkolben (9) und dem Hochdruckkolben (11) ein volumenveränderlicher Freiraum (19) gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der volumenveränderliche Freiraum (19) des Kolbenverdichters (1) als Druck- und Saugraum für einen separaten Kühlluftstrom ausgelegt ist und dieser Freiraum (19) über den Innenraum des elektrischen Motors (2) mit der Atmosphäre verbunden ist.
Mehrstufiger Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der volumenveränderliche Freiraum (19) über ein Einlassrückschlagventil (27) eine zusätzliche Verbindung zur Atmosphäre hat.
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 Atmosphäre Verbindung hat.
Verfahren zur Kühlung eines elektrischen Motors (2) für einen mehrstufigen Kolbenverdichter (1), dadurch gekennzeichnet, dass die von einem zwischen zwei benachbarten Druckkolben unterschiedlicher Größe gelegenen und volumenveränderlichen Freiraum (19) des Kolbenverdichters (1) angesaugte und ausgestoßene Luft als Kühlmittel für den elektrischen Motor (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kolbenverdichter (1) bewegte Luft wechselweise über den Innenraum des elektrischen Motors (2) aus der Atmosphäre angesogen und in die Atmosphäre abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, 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.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kolbenverdichter (1) bewegte Luft über den Innenraum des elektrischen Motors (2) gleichzeitig in eine Niederdruckkammer (8) des Kolbenverdichters (1) geführt wird.