DE102005033084B4

DE102005033084B4 - Öleingespritzter Verdichter mit Mitteln zur Öltemperaturregelung

Info

Publication number: DE102005033084B4
Application number: DE102005033084A
Authority: DE
Inventors: Nils ZIEGLGÄNSBERGER
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2025-07-16
Also published as: JP2009501290A; US20080206085A1; WO2007009669A2; ATE434133T1; EP1907704B1; WO2007009669A3; EP1907704A2; DE102005033084A1; DE502006004009D1

Abstract

Öleingespritzter Verdichter, insbesondere öleingespritzter mobiler Schraubenverdichter, mit einer motorbetriebenen Verdichtereinheit (1) zur Erzeugung von Druckluft, die mit einem Ölkreislauf (3) zur Schmierung zusammenwirkt, dessen Ölvorrat (5) in einer nachgeschalteten Ölabscheidereinrichtung (4) zum Trennen des Öls von der Druckluft untergebracht ist, wobei Mittel zur Öltemperaturregelung vorgesehen sind, die einen Kühler (7) mit Lüfterrad (9) umfassen, wobei eine Regeleinrichtung die Drehzahl des Lüfterrades (9) in Abhängigkeit der vom Kühler (7) an die aus der Umgebung stammenden Kühlluft übertragenen Wärme anpasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Öltemperaturregelung als Stelleinrichtung einen drehzahlvariablen Antrieb für das Lüfterrad (9) umfassen, der eine mit dem Antrieb konstanter Drehzahl verbundene Viskokupplung (10) aufweist, welche aufgrund der im Bereich (11) der Viskokupplung (10) vorherrschenden Temperaturen den Schlupf variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen öleingespritzten Verdichter, insbesondere einen öleingespritzten mobilen Schraubenverdichter, mit einer motorbetriebenen Verdichtereinheit zur Erzeugung von Druckluft, die mit einem Ölkreislauf zur Schmierung zusammenwirkt, dessen Ölvorrat in einer nachgeschalteten Ölabscheidereinrichtung zum Trennen des Öls von der Druckluft untergebracht ist, wobei Mittel zur Öltemperaturregelung vorgesehen sind, die einen Kühler mit Lüfterrad umfassen.
Die vorliegende Erfindung ist neben öleingespritzten Schraubenverdichtern auch bei anderen Arten von öleingespritzten Verdichtern, wie Spiral- und Flügelzellenverdichter, verwendbar. Bei den Verdichtern der hier interessierenden Art wird mittels eines Ölkreislaufs Öl zur Schmierung in den Bereich der bewegten Verdichterbauteile sowie an deren Lagerstellen eingespritzt, um zum Einen die hier vorhandenen, sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Wälzlager zu schmieren, und um zum Anderen auch ein unzulässiges Aufheizen im Bereich der bewegten Verdichterbauteile in Folge von Reibung zu verhindern. Des Weiteren dient das Öl auch zum Abdichten der Luftseite gegenüber anderen Bereichen des Verdichters. Das Einsatzgebiet derartiger öleingespritzter Verdichter erstreckt sich dank der Kompaktheit vornehmlich auf mobile Anwendungen im Schienenfahrzeugbau oder auch im Bereich des Nutzfahrzeugbaus. Daneben werden öleingespritzte Verdichter auch im Rahmen stationärer Druckluftversorgungsanlagen eingesetzt.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik gehen öleingespritzte Verdichter, wie öleingespritzte Schraubenverdichter, in verschiedenen Varianten hervor. Ein öleingespritzter Schraubenverdichter besteht im Wesentlichen aus einer Verdichtereinheit mit mindestens einem Paar von gegenläufig zueinander sich drehenden und ineinander verzahnten, walzenförmigen Verdichterschrauben. Diese Verdichterschraubenanordnung dient der Erzeugung von Druckluft, in dem von einer Seite her von der Atmosphäre angesaugte Luft durch kontinuierliche Verdichtung in Druckluft umgewandelt wird, welche die Verdichtereinheit über ein federrückgestelltes Auslassventil verlässt. Der Antrieb der Verdichterschraubenanordnung erfolgt dabei über eine abgedichtet aus der Verdichtereinheit nach außen geführte Antriebswelle mittels eines hier angeflanschten Motors, meist eines Elektromotors. Zum Schmieren, Abdichten und Kühlen der durch den Kompressionsprozess thermisch stark beanspruchten Verdichtereinheit ist diese mit einem Ölkreislauf verbunden, welcher ausgehend von einem Ölvorrat das Öl an die Verdichterschraubenanordnung sowie auch an die zugeordneten Wälzlager liefert. Das hier eingespritzte Öl verlässt diesen Wirkbereich in Richtung des Ölvorrats, der sich innerhalb der dem Ölkreislauf nachgeschalteten Ölabscheidereinrichtung befindet. Die Ölabscheidereinrich tung ist erforderlich, um die öldurchsetzte Druckluft wieder von dem Öl zu befreien, so dass ölfreie Druckluft ausgangsseitig zur Verfügung steht. Die Ölabscheidereinrichtung besteht gewöhnlich im Wesentlichen aus einem Ölabscheider, der in an sich bekannter Weise nach dem Schwerkraftprinzip arbeitet. Das Öl, welches sich von der im Ölabscheider aufsteigenden ölhaltigen Druckluft trennt, wird im Ölvorrat gesammelt. Die im Ölabscheider aufgestiegene, bereits teilweise ölfreie Druckluft wird nachfolgend meist einem patronenartigen Feinabscheider zugeführt und verlässt anschließend die Ölabscheidereinrichtung über ein ausgangsseitig angeordnetes Druckhalteventil.
Für einen sicheren Betrieb von öleingespritzten Verdichtern ist insbesondere bei hoher und feuchter Umgebungstemperatur eine entsprechend hohe Öltemperatur erforderlich, um Kondensatausfall mit dessen schädigenden Auswirkungen im Inneren des Verdichters zu unterbinden. Die erforderlich hohe Öltemperatur wird üblicherweise durch ein im Ölkreislauf angeordnetes Regelventil rasch erreicht. Das Regelventil regelt stufenlos und teilt entsprechend den Betriebsbedingungen des Verdichters den zur Kühlung benötigten Ölvolumenstrom derart zwischen einer Kühler- und Bypassleitung auf, dass sich stets die gleiche Öltemperatur einstellt. Das dem Verdichter sowie dem Kühler des Ölkreislaufs zugehörige Lüfterrad wird nach dem Stand der Technik mit maximaler Leistung betrieben, indem eine starre Verbindung zum Antriebsmotor der Verdichtereinheit besteht. Lediglich bei gesondert angetriebenen Kühler-Lüfter-Systemen ist ein einfacher Start-/Stop-Betrieb möglich, um bei niedriger Öltemperatur die Kühlung des Ölkreislaufs zu unterbinden. Der in der Regel permanente und mit Nenndrehzahl betriebene Lüfter dient dazu, den Betrieb der Verdichtereinheit auch im ungünstigsten Fall bei hohen Umgebungstemperaturen aufrecht zu erhalten, so dass die maximal zulässige Öltemperatur von 120 °C nicht überschritten wird.
Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, dass das in Folge der Auslegung des Lüfters auf Maximalanforderung und maximalen Luftstrom, dieser in den meisten Zeitanteilen des Betriebs der Verdichtereinheit überdimensioniert ist. Hierdurch wird ein meist unnötig hoher Leistungsbedarf verursacht. Darüber hinaus verursacht der permanente Lüfterantrieb eine erhebliche Schallemission.
Weiterhin führt die vorstehend beschriebene Regelung des Ölvolumenstroms zwischen Kühler und Bypass-Leitung dazu, dass sich unabhängig von der Umgebungstemperatur eine festgelegte Regeltemperatur im Ölvorrat einstellt. Da die maximale Menge von Wasserdampf in der Umgebungsluft maßgeblich von dessen Temperatur abhängt, ist in diesem Fall das Niveau der Öltemperatur so hoch zu wählen, dass auch im ungünstigen Fall kein Kondensat im Verdichter ausfallen kann. Dadurch ist das Öl einer erhöhten Alterung ausgesetzt. Gleiches gilt auch für sämtliche Gummi- und Dichtteile der Verdichtereinheit, welche durch die konstant hohe Öltemperatur einer besonderen Belastung ausgesetzt sind. Des Weiteren kann das Öl seine Funktion als Spaltabdichtung im eigentlichen Verdichterraum nicht optimal erfüllen, wenn dieses heiß und damit niederviskoser, d.h. dünnflüssiger, ist. Der volumetrische Wirkungsgrad fällt mit steigender Öltemperatur aufgrund von internen Rückströmungen ab.
Durch den in mobilen Anwendungen des öleingespritzten Verdichters auftretenden Start-/Stop-Betrieb und der oftmals niederen Einschaltdauer wird der Nachteil einer Maximalauslegung der Kühlung des Ölkreislaufs mit den vorstehend genannten Nachteilen nochmals verstärkt, da durch zwischenzeitliche Abkühleffekte in den Stopphasen die Kühlluft im Betrieb dann oft gar nicht oder nur wenig benötigt wird und teilweise sogar kontraproduktiv ist. Bei extrem kalten Umgebungstemperaturen verhindert die komplette Lüfterleistung vom Start weg ein geeignetes Anwärmen des Ölkreislaufs. Das führt zu einem recht hohen hydraulischen Widerstand im Kühler, so dass beim Umschalten des herkömmlichen Regelventils von der Bypassleitung auf die Kühlerleitung der Ölvolumenstrom zusammenbrechen und der Verdichter Schaden nehmen kann.
Aus der EP 1 379 786 B1 geht ein gattungsgemäßer öleingespritzter Verdichter hervor, dessen Drehzahl des Lüfterrades in Abhängigkeit der vom Kühler an die aus der Umgebungsluft stammende Kühlluft übertragende Wärme angepasst wird.
Aus der US 2004/0244393 A1 geht eine weitere technische Lösung hervor, bei der die Kühlung an einem öleingespritzten Verdichter mit einem drehzahlgeregelten Lüfter durchgeführt wird. Hierbei ist die Regelung der Drehzahl des Lüfters, außer von der Umgebungstemperatur noch von weiteren verschiedenen Parametern beeinflussbar. Der Lüfterantrieb erfolgt hier direkt über einen Elektromotor, dessen Drehzahl entsprechend beeinflusst wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen öleingespritzten Verdichter der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass dessen Mittel zur Öl temperaturregelung eine bedarfsgerechte, effiziente Kühlung bei vertretbarem gerätetechnischen Aufwand sicherstellen.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem öleingespritzten Verdichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur Öltemperaturregelung als Stelleinrichtung einen drehzahlvariablen Antrieb für das Lüfterrad umfassen, wobei eine Regeleinrichtung die Drehzahl des Lüfterrades in Abhängigkeit der vom Kühler an die aus der Umgebung stammenden Kühlluft übertragenden Wärme anpasst.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Erkenntnis aus, dass die Erwärmung der von der Umgebung stammenden Kühlluft beim Passieren des Kühlers zwar in etwa konstant ist, die Umgebungstemperatur jedoch stark schwanken kann, so dass die Endtemperatur der zur Kühlung verwendeten Kühlluft auch in erheblichem Maße abhängig von der Umgebungstemperatur ist. Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es also, zwei Regelgrößen für die Öltemperatur miteinander zu verknüpfen. Zum Einen wird indirekt die Öltemperatur, welche die Kühlluft am Kühler entsprechend erwärmt, als Regelgröße hergenommen; zum Anderen fließt auch die Umgebungstemperatur, welche das Grundniveau der Kühllufttemperatur festlegt, als Regelgröße mit ein. Durch diese Verknüpfung beider Regelgrößen lässt sich die Öltemperatur auch an das aktuelle Umgebungstemperaturniveau anpassen, während nach dem Stand der Technik die Öltemperatur stets auf einem konstant hohen Niveau verbleibt. So ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung einen stets bedarfsgerecht angepassten Lüfterradbetrieb. Da bisher das Lüfterrad mit maximaler Leistung betrieben wurde, obwohl nach Zeitanteil betrachtet diese nur gelegentlich erforderlich wäre, ergeben sich insbesondere bei der Schallemission erhebliche Verbesserungen. Auch der Leistungsbedarf des Lüfterrades ist insgesamt weit geringer als bei einem dauerhaft am Maximalpunkt betriebenen Lüfterrad. Insbesondere im mo bilen Einsatz hat auch die Einschaltdauer auf die Drehzahl des Lüfterrades einen erheblichen Einfluss. Durch die in der Stopphase des Verdichters abgeführte Wärme durch Auskühlung wird der Verdichter nach einem Neustart bei möglichst geringer Drehzahl des Lüfterrades eingesetzt. Dadurch wird auch bei niedriger Einschaltdauer das notwendige Mindesttemperaturniveau zügig erreicht und dabei deutlich weniger Schall emittiert als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung. Des Weiteren verlängert die erfindungsgemäße Lösung die Wartungsintervalle für Öl und Dichtungen. Darüber hinaus verlängert sich auch die Lebensdauer der Verdichterlager, was aus der angepassten Öltemperatur resultiert.
Vorzugsweise ist zum drehzahlvariablen Antrieb des Lüfterrades eine mit der Antriebswelle konstanter Drehzahl verbundene Viskokupplung vorgesehen, welche aufgrund der im Betrieb der Viskokupplung vorherrschenden Temperaturen den Schlupf entsprechend variiert. Die Antriebswelle der Viskokupplung kann in vorteilhafter Weise mit der Welle des Antriebsmotors der Verdichtereinheit gekoppelt sein. Somit wird ein weiterer Antrieb hierfür eingespart. Als Viskokupplung kann hierbei eine herkömmliche Viskokupplung eingesetzt werden, welche mit einem einfachen Bimetall ab einer bestimmten Temperatur den Schlupf spürbar verringert und zudem durch das im Schlupfraum befindliche Öl eine weiche Anpassung des Schlupfes an die Temperaturgegebenheiten zulässt.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass die Regeleinrichtung die Drehzahl des Lüfterrades in Abhängigkeit der mittels einer Temperaturmesseinrichtung ermittelten vom Kühler an die aus der Umgebung stammenden Kühlluft übertragenen Wärme anpasst. In Abweichung von der vorstehend beschriebenen Variante ist hier ein elektrischer Temperatursensor mit entsprechender Elektronik erforderlich. Durch die Messtechnik wird die aktuelle Umgebungstemperatur an geeigneter Stelle erfasst. Die Steuerung und Regelung der Lüfterraddrehzahl erfolgt mittels Umrichter und Antrieb des Lüfterrades, der beispielsweise als Drehstrommotor ausgeführt sein kann.
Anstelle des Drehstrommotors ist es jedoch auch denkbar, für den drehzahlvariablen Antrieb des Lüfterrades einen Hydromotor einzusetzen, welcher von einer vorgeschalteten Hydropumpe mit Druckmittel drehzahlvariabel beaufschlagbar ist. In beiden Fällen entfällt das beim Stand der Technik gebräuchliche Regelventil zur Regelung der Öltemperatur.
Die Temperaturmesseinrichtung bzw. die Viskokupplung ist vorzugsweise im Strom der durch den Kühler aufgeheizten Kühlluft zwischen diesem und dem Lüfterrad anzuordnen. An dieser Stelle ist eine bauraumoptimale Unterbringung realisierbar. Gleichzeitig ist an dieser Stelle indirekt die Öltemperatur, welche die Kühlluft am Kühler entsprechend erwärmt, und zum Anderen die Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur erfassbar und direkt durch einen Temperatursensor oder indirekt durch eine entsprechende Temperaturbeeinflussung der Viskokupplung in eine bedarfsgerechte Drehzahlregelung für das Lüfterrad umsetzbar.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der Kühler neben der vorstehend beschriebenen Kühlung des Ölkreislaufs auch für eine Nachkühlung der die Ölabscheidereinrichtung des Verdichters verlassenden Druckluft nutzbar ist. Somit entfällt ein hierfür ggf. separat vorzusehender Kühler.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines öleingespritzten Verdichters mit Mitteln zur Öltemperaturregelung, hier unter Einbeziehung einer Viskokupplung.
Gemäß Figur besteht ein öleingespritzter Verdichter (Schraubenverdichter) im Wesentlichen aus einer Verdichtereinheit 1, welche mit einem Elektromotor 2 angetrieben wird. Im Bereich der die Verdichtereinheit 1 bildenden Verdichterschraubenanordnung wird aus einem Ölkreis lauf 3 Öl zur Schmierung eingespritzt. Das zu Schmierungs-, Kühlungs- und Dichtungszwecken erforderliche Öl gelangt dabei teilweise in die die Verdichtereinheit 1 ausgangsseitig verlassende Druckluft. Zum Trennen des Öls und der Druckluft ist der Verdichtereinheit 1 eine Ölabscheidereinrichtung 4 nachgeschaltet.
Die Ölabscheidereinrichtung 4 enthält einen Ölvorrat 5 für den Ölkreislauf 3. In den Ölvorrat 5 gelangt das von der Ölabscheidereinrichtung 4 aus der einströmenden ölhaltigen Druckluft per Schwerkraft abgesonderte Öl, so dass die ausgangsseitig der Ölabscheidereinrichtung 4 über die Druckluftleitung 6 abströmende Druckluft im Wesentlichen ölfrei ist. Die Druckluftleitung 6 ist über einen Kühler 7 zum weiteren Abkühlen der Druckluft geführt. Gleichzeitig dient der Kühler 7 auch der Kühlung des im Ölkreislauf 3 zirkulierenden Öls. Über eine Ölleitung 8 wird dem Kühler 7 das aus dem Ölvorrat 5 stammende aufgeheizte Öl zugeführt, welches durch den Kühler 7 entsprechend gekühlt wieder in die Verdichtereinheit 1 eingespritzt wird.
Über ein benachbart zum Kühler 7 angeordnetes Lüfterrad 9 wird Kühlluft aus der Umgebung durch den Kühler 7 gesaugt. Das Lüfterrad 9 wird über den Elektromotor 2 mit zwischengeschalteter Viskokupplung 10 angetrieben.
Diese Anordnung bildet bei der Öltemperaturregelung einen drehzahlvariablen Antrieb für das Lüfterrad 9, welche insoweit die Stelleinrichtung darstellt. Die Regeleinrichtung der Öltemperaturregelung wird durch die Viskokupplung 10 verkörpert, welche die Drehzahl des Lüfterrades 9 in Abhängigkeit der vom Kühler 7 an die aus der Umgebung stammenden Kühlluft übertragenen Wärme anpasst. Zu diesem Zwecke ist die Viskokupplung 10 im Bereich 11 angeordnet, der geeignet ist zur Erfassung der von der Öltemperatur erhitzten Umgebungsluft. Die Viskokupplung 10 variiert aufgrund der in diesem Bereich 11 vorherrschenden Temperaturen, den Schlupf und damit die Drehzahl des Lüfterrades 9, welche somit eine bedarfsgerechte Öltemperaturregelung gewährleistet.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. So sind auch Abweichungen hiervon denkbar, die dem Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche unterfallen. So kann die Viskokupplung auch durch eine anders geartete Regeleinrichtung ersetzt werden, vorzugsweise durch eine elektronische Regeleinrichtung, welche mit Hilfe eines Temperatursensors die aus der Umgebung stammende Kühlluft übertragene Wärme erfasst und nach Maßgabe einer Elektronik bei vorgegebener Solltemperatur regelungstechnisch verarbeitet.

1: Verdichtereinheit
2: Elektromotor
3: Ölkreislauf
4: Ölabscheidereinrichtung
5: Ölvorrat
6: Druckluftleitung
7: Kühler
8: Ölleitung
9: Lüfterrad
10: Viskokupplung
11: Bereich (an der Viskokupplung)

Claims

Öleingespritzter Verdichter, insbesondere öleingespritzter mobiler Schraubenverdichter, mit einer motorbetriebenen Verdichtereinheit (1) zur Erzeugung von Druckluft, die mit einem Ölkreislauf (3) zur Schmierung zusammenwirkt, dessen Ölvorrat (5) in einer nachgeschalteten Ölabscheidereinrichtung (4) zum Trennen des Öls von der Druckluft untergebracht ist, wobei Mittel zur Öltemperaturregelung vorgesehen sind, die einen Kühler (7) mit Lüfterrad (9) umfassen, wobei eine Regeleinrichtung die Drehzahl des Lüfterrades (9) in Abhängigkeit der vom Kühler (7) an die aus der Umgebung stammenden Kühlluft übertragenen Wärme anpasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Öltemperaturregelung als Stelleinrichtung einen drehzahlvariablen Antrieb für das Lüfterrad (9) umfassen, der eine mit dem Antrieb konstanter Drehzahl verbundene Viskokupplung (10) aufweist, welche aufgrund der im Bereich (11) der Viskokupplung (10) vorherrschenden Temperaturen den Schlupf variiert.
Öleingespritzter Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die Drehzahl des Lüfterrades (9) in Abhängigkeit der mittels Temperaturmesseinrichtung ermittelten vom Kühler (7) an die aus der Umgebung stammenden Kühlluft übertragenen Wärme nach Maßgabe einer vorgegebenen Solltemperatur anpasst.
Öleingespritzter Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlvariable Antrieb für das Lüfterrad (9) nach Art eines Elektromotors (2) ausgebildet ist.
Öleingespritzter Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlvariable Antrieb für das Lüfterrad (9) nach Art eines Hydromotors ausgebildet ist, der von einer vorgeschalteten Hydropumpe drehzahlvariabel beaufschlagbar ist.
Öleingespritzter Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Viskokupplung (10) über die Welle des Elektromotors (2) der Verdichtereinheit (1) erfolgt.
Öleingespritzter Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung und/oder die Viskokupplung (10) im Luftstrom zwischen dem Kühler (7), der die Kühlluft aufheizt, und dem Lüfterrad (9) angeordnet ist.
Öleingespritzter Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (7) neben der Kühlung im Ölkreislauf (3) auch eine Nachkühlung der die Ölabscheidereinrichtung (4) verlassenden Druckluft durchführt.