-
Die
Erfindung betrifft eine Pumpe bzw. einen Verdichter für mittlere
bis kleine Volumina und höhere Drücke, welche/r
vom Anmelder im Folgenden als Kreuzkolbenverdichter bezeichnet wird.
-
Generell
sind im Bereich des Maschinenbaus die verschiedensten Arten von
Pumpen und Verdichtern bekannt. Jede Art hat ihre speziellen Vor- und
Nachteile. So ist es in der Regel eine Frage des besten Kompromisses,
inwieweit diese oder jene Bauform für einen bestimmten Anwendungsfall
am besten geeignet ist.
-
Im
Prinzip wird eine derartige Arbeitsmaschine dann als Pumpe bezeichnet,
wenn sie ein Arbeits- oder Fördermedium
ohne innere Verdichtung zu fördern
in der Lage ist. Demgegenüber
bewirkt ein Verdichter sowohl die Förderung, als auch die Verdichtung
von Gasen oder Dämpfen.
Dabei unterscheidet man nach Bauart und Funktion des Förderelements zwischen
Hub-, Dreh- oder Kreiskolbenverdichtern, Kreiselverdichtern, Axial-
und Radialverdichtern. Nach Auffassung des Anmelders ist der Gegenstand der
Anmeldung dem Gebiet der Hubkolbenverdichter zuzurechnen.
-
Gemäß MEYERS
ENZYKLOPÄDISCHEM LEXIKON,
Mannheim 1975, ist ein Kolbenverdichter eine mit einem Verdrängerkörper arbeitende
Maschine zum Fördern
von Gasen aus Räumen
niedrigen Drucks in Räume
höheren
Drucks zum gleichmäßigen Verdichten
auf Druckverhältnisse über 3. Man unterscheidet
Kolbenverdichter mit oszillierendem Verdrängerkörper (Hubkolbenmaschinen und
Membranverdichter) und Kolbenverdichter mit rotierendem Verdrängerkörper (Umlaufkolbenmaschinen).
Beim Hubkolbenverdichter bewegt eine Antriebsmaschine über Kurbelwelle
und Pleuelstange im Arbeitszylinder einen Kolben hin und her, so
dass dieser auf dem Weg zum unteren Totpunkt durch das geöffnete Saugventil
das Fördermittel
ansaugt und es anschließend
auf dem Weg zum oberen Totpunkt durch das Druckventil in die Druckleitung
fördert.
Je nach dem verlangten Enddruck werden Hubkolbenverdichter ein-,
zwei-, oder höherstufig
gebaut. Bei Membranverdichtern ist das oszillierende Organ eine
nachgiebige Membran aus Stahl, Kunststoff oder dergleichen, die
bei ihrer Bewegung den Arbeitsraum abwechselnd vergrößert (mit
Ansaugen durch das Saugventil) und verkleinert (mit Fördern durch
das Druckventil). Zu den Umlaufkolbenverdichtern gehören die
Kapselgebläse
(Roots-Gebläse,
Kreiskolbengebläse,
Schraubenverdichter). Bei ihnen drehen sich Verdrängerkörper um
ihre Achsen und bringen das Färdermittel
zwischen sich und der Gehäusewand
von der Saug- auf die Druckseite. Bei den Rotationsverdichtern (z.
B. Vielzellenverdichter, Flüssikeitsringverdichter)
sitzen in den Schlitzen einer exzentrisch zum Gehäuse gelagerten
Welle radial bewegliche Schieber, die einerseits den Saug- vom Druckraum
trennen und andererseits zwischen sich, dem Gehäuse und der Exzenterwelle Räume bilden, die
sich im Rhythmus der Wellendrehung periodisch vergrößern und
verkleinern. Dadurch kann das Ansaugen, Verdichten und Fördern des
Fördermittels erfolgen.
-
Für bestimmte
Anwendungen, zum Beispiel für
die Bereitstellung hoher Drücke
bei Wasserstrahl-Schneidanlagen oder für die Common-Rail-Technik bei
Kraftfahrzeugen, sind Verdichter erforderlich, welche Drücke im Bereich
von 1.500 bis 5.000 bar erzeugen können. Hier sind im ersten Fall
mindestens mittlere Förderleistungen
gefragt. Gleichzeitig werden dabei kleine Baugrößen angestrebt. Auch für Verdichter
von Wärmepumpen
wird immer noch nach effizienten Bauarten gesucht. Bislang werden
hier sehr häufig
so genannte Scroll- oder Spiralverdichter verwendet. Diese sind
jedoch in der Höhe
des von ihnen erzeugten Druckes beschränkt, wodurch die Leistungszahl
der Wärmepumpe
den theoretisch erreichbaren Wert verfehlt.
-
Es
bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines speziellen Verdichters,
welcher die Realisierung sehr hoher Drücke ermöglichen sollte. Daneben waren
mindestens mittlere Förderleistungen
gefordert. Außerdem
sollten die Abmessungen besonders klein und der Verdichter zu günstigen
Kosten herstellbar sein.
-
Die
beschriebene Aufgabe wird durch die Zurverfügungstellung eines neuartigen
Verdichters mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach besteht
der erfindungsgemäße Verdichter
aus einem Gehäuse
mit mindestens einem eingeschlossenen quaderförmigem Arbeitsraum, einer in
dem Gehäuse gelagerten
angetriebenen Kurbelwelle mit mindestens einem Exzenter mit definierter
Exzentrizität,
auf welchem mindestens ein Kolben relativ zum Exzenter drehbar gelagert
ist, wobei dieser Kolben von mit mindestens einem Steg verbundenen
Schenkeln mindestens eines Schiebers mit wahlweise im Schnitt rechteckigem
Doppel-L-, Doppel-T- oder Doppel-U-förmigen Querschnitt aufgenommen
ist, wobei dieser Schieber seinerseits von dem Arbeitsraum des Gehäuses hin
und her schiebbar umfasst ist, wobei
- – die Höhe des Schiebers
kleiner ist als die Höhe des
Arbeitsraums,
- – die
Breite des Schiebers kleiner ist als die Breite des Arbeitsraums
abzüglich
der doppelten Exzentrizität
des Exzenters,
- – die
Dicke des Schiebers kleiner ist als die Tiefe des Arbeitsraums,
- – die
Höhe des
Kolbens kleiner ist als die Höhe des
Arbeitsraums abzüglich
der doppelten Exzentrizität
des Exzenters,
- – die
Breite des Kolbens kleiner ist als die lichte Weite zwischen den
Schenkeln des Schiebers,
- – und
die Dicke des Kolbens kleiner ist als die Dicke des Schiebers abzüglich der
Dicke des oder der die Schenkel verbindenden Stegs oder Stege.
-
Die
Erfindung soll zum besseren Verständnis im Folgenden anhand der
sechs Zeichnungsfiguren näher
erläutert
werden.
-
Die 1 bis 4 zeigen
Schnittbilder einer Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Kreuzkolbenverdichters
mit unterschiedlichen Stellungen des Exzenters. In
-
5 ist
das Schnittbild eines Ausführungsbeispiels
mit identischen Kammervolumina dargestellt. Die 6 betrifft
eine axiale Schnittebene des Ausführungsbeispiels aus 5.
-
Die 1 zeigt
eine stark vereinfachte Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Verdichters
mittels eines in der Radialebene liegenden Schnitts. Im Gehäuse 5 ist
ein in der zweidimensionalen Ebene der Zeichnung liegender rechteckiger
Arbeitsraum gebildet, in welchem ein Schieber 12 gelagert
ist. Von diesem Schieber sind lediglich dessen Schenkel 12A und 12B zu
sehen. Der die beiden Schenkel verbindende Steg wird vom Kolben 10 verdeckt.
Der Schieber 12 ist mit seiner einheitlichen Höhe so in
den Arbeitsraum eingepasst, dass er aufgrund eines Spaltmaßes leichtgängig nach
rechts und links verschiebbar ist. Dabei ist seine Breite kleiner
als die innere Breite des Arbeitsraumes abzüglich der doppelten Exzentrizität des Exzenters 9.
Naturgemäß wird der durch
dieses Untermaß gebildete
Spalt, ebenso wie die anderen gegeneinander bewegten Spalten, derart
gewählt
sein, dass einerseits ein Klemmen der betroffenen Komponenten zuverlässig unterbunden
ist, die Spaltverluste jedoch niedrig gehalten werden. Dementsprechend
werden diese Spaltmaße
relativ klein ausfallen. Es ist in diesem Zusammenhang von Vorteil,
wenn die entsprechenden Bauteile in ihrem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
derart ausgewählt
sind, dass bei einer Erhitzung im Betrieb ein Zuwachsen des Spaltmaßes unterbunden ist.
-
Der
Kolben 10 des gezeigten Beispiels ist mittels eines Wälzlagers 11 auf
dem Exzenter 9 gelagert. Die Exzentrizität des Exzenters
gegenüber
der Achse der Kurbelwelle 8 ist in der Zeichnungsfigur mit
E angegeben. Die horizontale Mittellinie von Kurbelwelle und Arbeitsraum
ist mit 6, die vertikale Mittellinie mit 7 bezeichnet.
Der eingezeichnete Pfeil zeigt die Drehrichtung an, in welcher nacheinander die
in den 1, 2, 3 und 4 sich
ergebenden Positionen der bewegten Komponenten erreicht werden.
-
Die
beschriebene Anordnung der einzelnen Bauteile führt zur Schaffung von vier
Kammern 1, 2, 3 und 4, welche
gegeneinander um eine viertel Umdrehung versetzt sind, und welche
sich bei Umlauf des Exzenters nacheinander im Rhythmus der Wellendrehung
periodisch vergrößern und
verkleinern. Mittels dieser Volumenänderung kann das Ansaugen,
Verdichten und Fördern
des Arbeitsmittels erfolgen.
-
Hinsichtlich
der Auslegung einer praktischen Verkörperung der Erfindung besteht
die Möglichkeit, in
Abhängigkeit
von der Stegdicke ein erstes Kammerpaar (1, 3)
in seinem Volumen ungleich einem zweiten Kammerpaar (2, 4)
auszulegen. Ferner kann der erfindungsgemäße Verdichter ein-, zwei-,
drei- oder vierflutig betrieben werden.
-
Der
weitere Ablauf der Bewegungen bei Rotation von Kurbelwelle und Exzenter
nach 1 wird in 2, 3 und 4 demonstriert.
Dabei wurden sowohl die geschnittene Darstellungsweise, als auch
die Bezugsziffern beibehalten, so dass sich zusätzliche Erläuterungen erübrigen dürften.
-
Zur
Erzielung einer bestimmungsgemäßen Funktion
des erfindungsgemäßen Verdichters
sind mindestens im Gehäuse
Ventile und/oder Schlitze erforderlich. Deren Ausführungsmöglichkeiten
sind zahlreich. Allerdings dürften
dem Fachmann derartige Elemente und deren Positionierungen bekannt sein,
so dass im Folgenden darauf nicht weiter eingegangen werden soll.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wurden in sämtlichen
Zeichnungsfiguren ferner Trennfugen, Dichtungen und Kleinteile,
wie z. B. Sicherungsringe, weggelassen.
-
Auf
dem nächsten
Zeichnungsblatt werden zwei Zeichnungsfiguren gezeigt, wobei 5 die Schnittebene
Y-Y der 6 und 6 die Schnittebene
X-X der 5 darstellen. Es handelt sich
dabei um ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel
in einer wie bereits zuvor bei den 1–4 partiell
geschnittenen Darstellungsweise. Die Tandembauart wurde benutzt,
um einen Großteil
der bei Rotation auftretenden Massenkräfte zu kompensieren.
-
Die 5 ähnelt in
der Stellung ihres Kolbens 29 derjenigen aus 4.
Dessen Hub und damit dessen Exzenterbetrag E wurden kleiner gewählt, jedoch
die einzelnen Abmessungen so ausgelegt, dass die Volumensummen der
den vier Hubrichtungen zugehörigen
Kammern identisch sind. Das Gehäuse 25 schließt mit seinen beiden
Arbeitsräumen jeweils
quaderförmige
Hohlräume
ein, in welchen die beiden Schieber 33 und 34 hin
und her schiebbar gelagert sind. Der in Blickrichtung hinten liegende Schieber 34 ist
verdeckt und daher in der Zeichnungsfigur nicht sichtbar. Vom Schieber 33 sind
nur der linke Schenkel 33A und der rechte Schenkel 33B zu
sehen, weil der verbindende Steg 35 durch den Kolben 29 verdeckt
ist. Der Kolben 29 ist mittels eines Nadellagers 39 auf
dem Exzenter 27 einer Kurbelwelle 26 gelagert.
Aufgrund der Anordnung der verschiedenen Bauteile und deren Bewegung
bei einer Rotation der Kurbelwelle sind zwischen dem Schieber 33 und
dem Gehäuse 25 zwei
Kammern 13 und 14, und zwischen den beiden Kolben 29, 30 und dem
Gehäuse 25 vier
Kammern 17, 18 und 19, 20 gebildet,
welche sich nacheinander im Rhythmus der Wellendrehung periodisch
vergrößern und
verkleinern. In der 5 ist der Kolben 30 durch
den Steg 35 des Schiebers 33 und den Kolben 29 verdeckt. Die
Situation wird jedoch mittels der 6 verständlich.
-
Der
Aufbau des erfindungsgemäßen Kreuzkolbenverdichters
soll mittels der 6 noch näher verdeutlicht werden. Dazu
wurde die Schnittebene X-X der 5 herangezogen
und eine partiell geschnittene Darstellungsweise verwendet. Die
gewählte
Tandembauart ist in der Zeichnungsfigur nun gut zu erkennen. Es
sind im Gehäuse 25 zwei
hintereinander liegende Arbeitsräume
gebildet, in denen jeweils die um 180° gegeneinander versetzten Exzenter 27, 28 der
Kurbelwelle 26 rotieren. Dabei ist die Kurbelwelle mittels
zweier Kugellager 37, 38 im Gehäuse gelagert.
Der vorn liegende Exzenter 27 ist mit zwei Nadellagern 39, 40,
und der hinten liegende Exzenter 28 entsprechend mit zwei
Nadellagern 41, 42 bestückt. Über diese Nadellagerpaare werden
jeweils zwei Kolbenpaare 29, 30 und 31, 32 angetrieben.
Mit ihren in der Zeichnung rechts und links liegenden Flächen wirken
diese Kolbenpaare auf entsprechende Flächen der Schieber 33, 34.
Die Schieber wurden in dem Beispiel mit einer Doppel-T-Geometrie
realisiert, wobei die beiden Schenkel jeweils mittels eines Stegs 35, 36 fest
miteinander verbunden sind.
-
Bei
Rotation der Kurbelwelle um ihre Rotationsachse 43 werden
dann die beiden Schieber permanent im Arbeitsraum hin und her geschoben
(in der Zeichnung nach rechts und links) und bilden so zwischen
ihrer lateralen Außenfläche und
der Wandung des Gehäuses
sich im Takt der Wellenrotation ändernde
Volumina der vier Kammern 13, 14, 15, 16. Demgegenüber sind
zwischen den vier Kolben 29, 30, 31, 32 wegen
der trennenden Stege 35, 36 die acht Kammern 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 gebildet. Wegen
der Mitnahme der Kolben durch die Exzenter führen die Kolben eine Taumeldrehung
ohne eigene Rotation aus. Allerdings besteht relativ zum jeweiligen
Schieber eine rein hin und her schiebende Bewegung (in der Zeichnung
nach oben und unten).
-
Das
oben beschriebene Grundkonzept ist in diversen praktischen Ausführungen
umsetzbar. Dies betrifft z. B. die Anzahl der Arbeitsräume, die
Höhe der
Verdichtung, die Anzahl der benutzten Kammern (z. B. ein-, zwei-,
drei- oder vierflutig), und die Anzahl, Art und Positionierung der
Steuerorgane (z. B. Saug- und Druckventile).
-
Es
besteht auch die Möglichkeit,
die Saug- und Druckventile durch Steuerschlitze zu ersetzen, wobei
die schiebende Bewegung von Kolben und Schieber zum selbsttätigen Öffnen und
Schließen
der einzelnen Kammern herangezogen werden kann. Eine solche Bauart
ist besonders verschleißfrei,
zuverlässig,
und auch kostengünstig.
-
Wegen
seiner relativ rigiden Bauform dürfte der
erfindungsgemäße Verdichter
insbesondere dann von Vorteil sein, wenn mittlere bis kleine Förderraten
bei relativ hohen Drücken
gefordert sind.