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Die
Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor zum Komprimieren von Gasen,
insbesondere von Luft, umfassend einen einen Kompressionsbereich ausbildenden
Zylinder mit einem Zylinderboden, einen im Kompressionsbereich des
Zylinders in einer Kompressionsbewegung gegen den Zylinder abgedichtet
laufenden Kolben, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Kolbens,
und einen vom Zylinder im Kompressionsbereich abgehenden Auslass
zum Auslassen von durch den Kolben im Zylinder komprimierter Luft.
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Einen
derartigen Kolbenkompressor offenbaren beispielsweise die Druckschriften
DE 10 2005 009 947
A1 und
DE
10 2005 061 482 A1 . Die dort offenbarten Kolbenkompressoren
weisen einen Zylinder auf, der im Kompressionsbereich mit einem
konstanten Innendurchmesser ausgebildet ist. Unter „Kompressionsbereich” wird
hier der Bereich des Zylinders verstanden, in dem durch die Kompressionsbewegung
des Kolbens ein merklicher Druckaufbau stattfindet. Der Kolben der
Kolbenkompressoren in den genannten Druckschriften weist eine Manschettendichtung
mit einer Manschette auf, wobei die Manschette dichtend an einer
Zylinderinnenwand anliegt. Durch den Hub des Kolbens in Kompressionsbewegung,
d. h., der Kolben bewegt sich in den Zylinder hinein in Richtung
Zylinderboden, wird die Luft zwischen Kolben und Zylinderboden komprimiert.
Durch einen Auslass kann die komprimierte Luft ausgelassen werden.
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Um
zu gewährleisten, dass sich bei der Rückbewegung
des Kolbens, die der Kompressionsbewegung entgegengesetzt ist, Luft
trotz Abdichtung des Kolbens durch die Manschettendichtung in den Kompressionsbereich
nachströmen kann, weisen derartige Kolben eine Lamellendichtung
und eine Saugbohrung auf. Die Lamellendichtung umfasst eine Lamelle,
die auf der dem Zylinderboden zugewandten Oberfläche eines
Kolbengrundelementes angeordnet ist, und eine Saugbohrung, die von
der die Oberfläche bildenden Oberseite des Kolbengrundelementes
zur dem Zylinderboden abgewandten Unterseite des Kolbengrundelementes
hindurch tritt. Die Lamelle ist an dem Kolbengrundelement über
einen Niet befestigt. Die Lamelle überdeckt die Öffnung der
Saugbohrung auf der dem Zylinderboden zugewandten Oberseite des
Kolbengrundelementes. In Kompressionsbewegung des Kolbens wird die
Lamelle durch den im Kompressionsbereich aufgebauten Druck gegen
die Oberfläche des Kolbengrundelementes gepresst und verschließt
auf diese Weise die Öffnung der Saugbohrung. In der Rückbewegung des
Kolbens, nach Auslassen der komprimierten Luft, hebt sich die Lamelle
aufgrund ihrer Trägheit und aufgrund der Druckdifferenz
zwischen Kompressionsbereich und dem hinter dem Kolben liegenden Außenbereich
von der Oberfläche des Kolbengrundelementes im Bereich
der Öffnung der Saugbohrung ab, wodurch Luft in den Kompressionsbereich
nachströmen kann.
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Nachteil
von Kolbenkompressoren mit einem derartigen Kolben ist, dass der
Kolben mit Niet, Sauglammelle und Saugbohrung relativ kompliziert ausgebildet
ist und entsprechend anfällig gegen Verschleiß ist.
Zudem muss im Zylinderboden eine Aussparung für den Niet
vorgesehen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolbenkompressor mit einem
vereinfachten Aufbau zu schaffen, der kostengünstig herstellbar
ist, und der eine niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit besitzt.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Kolbenkompressor gemäß Anspruch
1 der Erfindung gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen
Ansprüche.
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Der
erfindungsgemäße Kolbenkompressor umfasst einen
einen Kompressionsbereich ausbildenden Zylinder mit einem Zylinderboden,
einen im Kompressionsbereich des Zylinders in einer Kompressionsbewegung
gegen den Zylinder abgedichtet laufenden Kolben, eine Antriebsvorrichtung
zum Antreiben des Kolbens, einen vom Zylinder im Kompressionsbereich
abgehenden Auslass zum Auslassen von durch den Kolben im Zylinder
komprimierter Luft, wobei der Zylinder im Kompressionsbereich einen
sich zum Zylinderboden hin verjüngenden Abschnitt aufweist.
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Der
im Kompressionsbereich liegende verjüngende Abschnitt des
Zylinders ermöglicht bei einer Rückbewegung des
Kolbens ein frühzeitiges Nachströmen der Luft
durch den sich zwischen Kolben und Zylinder bei der Rückbewegung
im Verjüngungsabschnitt öffnenden Spalt. Eine
Lamellendichtung einschließlich einer Saugbohrung in einem
Kolbengrundelement, wie beim oben genannten Stand der Technik, kann
damit entfallen. Der Kolben kann mit verringertem Herstellungsaufwand
gefertigt werden, wodurch Kosten eingespart werden können.
Der reduzierte Teilebedarf führt zu dem zu einer geringeren
Ausfallwahrscheinlichkeit des Kolbens. Auch eine Geräuschreduktion
kann erzielt werden, da eine Lamellendichtung mit einer Lamelle,
die gegen den Zylinderboden schlägt, entfallen kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels,
welches durch zwei Figuren dargestellt ist, näher beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenkompressor,
bei dem sich der Kolben in einem oberen Totpunkt befindet und
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt des Kolbenkompressors,
wobei sich der Kolben in einem unteren Totpunkt befindet.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenkompressor 1 zum
Komprimieren eines Gases, hier zum Komprimieren von Luft. Der Kolbenkompressor 1 umfasst
einen einen Kompressionsbereich 2 ausbildenden Zylinder 3 mit einem
Zylinderboden 4, einem im Kompressionsbereich 2 des
Zylinders 3 in einer Kompressionsbewegung 5 gegen
den Zylinder 3 abgedichtet laufenden Kolben 6,
und einen vom Zylinder 3 im Kompressionsbereich 2 abgehenden
Auslass 7 zum Auslassen von durch den Kolben 6 im
Zylinder 3 im Kompressionsbereich 2 komprimierter
Luft. Der Kompressionsbereich 2 ist hier durch die Position
des Kolbens 6 bestimmt, wenn dieser in der Kompressionsbewegung 5 dichtend
an einer Zylinderinnenwand 16 des Zylinders 3 zum
Anliegen kommt. In den 1 und 2 ist diese
Position des Kolbens 6 durch eine gestrichelte Linie 15 markiert,
die etwa einem Viertel des Kolbenhubs des Kolbens 6 entspricht,
d. h., ausgehend von einem unteren Totpunkt des Kolbens, siehe 2,
dichtet der Kolben 6 nach einem Viertel des Kolbenhubs
gegen den Zylinder 3 ab. Die restlichen drei Viertel des
Kolbenhubs bis zu einem oberen Totpunkt, an dem der Kolben 6 nahezu
den Zylinderboden 4 erreicht hat, werden damit für
die Kompression von Luft verwendet.
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Der
Kolben 6 umfasst ein Kolbengrundelement 17, das
Bestandteil eines Pleuels 12 ist. Der Kolben 6 bildet
einen Pleuelkopf, der über einen Pleuelschaft 18 starr
mit einem Pleuellagerauge 19 verbunden ist. Das Kolbengrundelement 17 ist
im Wesentlichen als scheibenförmiges Element ausgebildet.
Vom Zentrum des scheibenförmigen Kolbengrundelementes 17 geht
der Pleuelschaft 18 ab. Der den Pleuelkopf bildende Kolben 6,
der Pleuelschaft 18 und das Pleuellagerauge sind hier als
ein einstückiges Aluminiumdruckgussteil gefertigt. Über
ein erstes Kugellager 20 ist das Pleuel 12 auf
einem exzentrisch angeordneten Lagerschaft 21 einer Kurbelwelle 13 gelenkig
gelagert und an diesen Lagerschaft 21 über eine
Schraube 22 mit Unterlegscheibe 23 gesichert.
Die Kurbelwelle 13 ist mittels eines zweiten Kugellagers 25 in
einem Kompressorgehäuse 26 gelagert und über
eine An triebswelle 24, die mit einem hier nicht mehr dargestellten
Elektromotor verbunden ist, antreibbar. Die exzentrische Lagerung
des Pleuels 12 setzt die Rotationsbewegung der Kurbelwelle 13 in
eine im Wesentlichen translatorische Bewegung des Kolbens 6 um.
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Der
Zylinder 3 ist derart ausgebildet, dass dieser auch im
unteren Totpunkt des Kolbens 6, siehe 2, über
den Kolben 6 hinaus steht. Der Kolben 6 befindet
sich somit im gesamten Bewegungsablauf vollständig im Zylinder 3.
Der Zylinder 3 ist dabei bis auf einen schmalen Abschnitt 28 im
Bereich des Zylinderbodens 4 mit einer konischen Form ausgebildet,
wobei sich der Zylinder 3 zum Zylinderboden 4 hin
verjüngt. Insbesondere weist damit der Zylinder 3 im
Kompressionsbereich 2 einen sich zum Zylinderboden 4 hin
verjüngenden Abschnitt 8 auf.
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Der
Auslass 7 ist im Randbereich des Zylinderbodens 4 angeordnet.
Er ist als Kanal ausgebildet und führt zu einem federbelasteten
Druckventil 14. Das Druckventil 14 ist als federbelastetes
Rückschlagventil mit einer Feder 30 und einem
Ventilkörper 31, der auf einem Ventilsitz 27 liegt,
ausgebildet, wodurch insbesondere verhindert wird, dass durch den
Auslass 7 bei der Rückbewegung des Kolbens 6 in
den unteren Totpunkt Luft über den Auslass 7 zurück
in den Zylinder 3 strömt.
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An
seinem der Zylinderinnenwand 16 gegenüberliegenden
Außenrand weist das Kolbengrundelement 17 eine
den Rand vollständig umlaufende Stufe 32 auf.
Auf dieser Stufe ist eine Manschettendichtung mit einer über
einen Pressring 33 gehaltenen, den Rand des Kolbengrundelements 17 vollständig
umlaufenden Manschette 10 fest gelagert. Die Stufe 32 des
Kolbengrundelementes 17 erstreckt sich etwa über
zwei Drittel der gesamten Breite des Randes des Kolbengrundelementes 17.
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Die
Manschette 10 ist unter Bildung zweier Schenkel 11, 34 abgewinkelt.
Der erste Schenkel 34 wird durch den Pressring 33 gegen
die Stufe 32 des Kolbengrundelementes gepresst, wodurch
die Manschette 10 in ihrer Lage fixiert ist. Der zweite
Schenkel 11 der Manschette 10 ist in Richtung
des Kolbenbodens 4 gerichtet und umgreift den Pressring 33. Über
den Schenkel 11 der Manschette 10 wir die Abdichtung
des Kolbens 6 gegen den Zylinder 3 bewirkt.
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Die
Manschette 10 wird hier durch ein elastisch deformierbares
Material gebildet, hier aus eine Polytetrafluorethylen mit Beimischungen.
Alternativ können insbesondere auch andere Elastomere verwendet
werden. Der Pressring 33 ist wie das Pleuel 12 aus
Aluminium gefertigt.
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Im
Folgenden wird die Wirkungsweise des Kolbenkompressors 1 beschrieben.
Ausgehend vom unteren Totpunkt, siehe 2, bewegt
sich der Kolben 6, angetrieben über die Kurbelwelle 13,
in der Kompressionsbewegung 5 nach oben in Richtung Zylinderboden 4.
Der zweite Schenkel 11 der Manschette 10 steht
in dieser Phase, in der dieser die Zylinderinnenwand 16 noch
nicht berührt, in einem Winkel, hier in etwa 10°,
von dem Pressring 33 ab (in den Figuren nicht sichtbar).
Das Abstehen des Schenkels 11 der Manschette 10 wird
durch die Form des Pressringes 33, der im Bereich seiner,
der Manschette 10 gegenüberliegenden Oberfläche
ballig ausgebildet ist, verstärkt.
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Nach
etwa einem Viertel des Gesamthubs kommt die Manschette 10 über
ihren Schenkel 11 umlaufend an der sich konisch zum Zylinderboden 4 hin
verjüngenden Zylinderinnenwand 16 zum Anliegen.
Der Kompressionsbereich 2 ist damit über die Manschettendichtung 9 nach
außen abgedichtet. Die restlichen drei Viertel des Hubs
bis zum Erreichen des oberen Totpunktes, siehe 1,
wird die sich im Kompressionsbereich 2 befindende Luft
komprimiert. Bei Erreichen eines bestimmten Drucks öffnet
das Druckventil 14, im Kompressionsbereich 2 komprimierte
Luft kann über den Auslass 7 entströmen.
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Der
zweite Schenkel 11 der Manschette 10 wird in der
Kompressionsbewegung 5 des Kolbens 6 durch die
sich verjüngende Zylinderinnenwand 16 in Richtung
des Pressringes 33 gedrückt. Der zuvor zwischen
Schenkel 11 und gegenüberliegender Oberfläche
des Pressringes 33 bestehende Winkel verkleinert sich.
Der Schenkel 11 kommt allerdings nie vollständig
auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Pressringes 33 zu
liegen, aufgrund der Ballenform des Pressringes 33.
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Kurz
vor dem Erreichen des oberen Totpunktes endet der sich verjüngende
Abschnitt 8 des Zylinders 3 in einen Abschnitt 28 mit
konstantem Durchmesser. Die Höhe des Abschnitts 28 ist
kleiner als die des Pressringes 33. Dieser Bereich ist
nicht verjüngt, weil dies für die Funktion des
Kolbenkompressors 1 nicht notwendig ist. Allerdings kann
auch eine Verjüngung bis zum Zylinderboden 4 vorgesehen
sein.
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Bei
der Rückbewegung des Kolbens 6 vom oberen Totpunkt
in den unteren Totpunkt ermöglicht der sich verjüngende
Abschnitt 8 des Zylinders 3 ein Nachströmen
in den vom sich zurückziehenden Kolben 6 freigegebenen
Kompressionsbereich 2, in dem Luft vom Außenbereich 35 durch
den zwischen Zylinderinnenwand 16 und zweiten Schenkel 11 der
Manschette 10 bei der Rückbewegung des Kolbens 6 entstehenden
und sich stetig vergrößernden Spalt nachströmt.
Der Druckunterschied zwischen dem vom sich zurückziehenden
Kolben 6 frei gegebenen Kompressionsbereich 2 und
dem Außenbereich 35 führt dazu, dass
der Schenkel 11 der Manschette 10 in Richtung
des Pressringes 33 gedrückt wird. Auf dies Weise
kann sehr frühzeitig Luft in dem vom Kolben 6 freigegebenen
Kompressionsbereich 2 nachströmen, ohne dass ein
zu hoher Unterdruck entstehen würde. Für das frühzeitiges
Nachströmen der Luft ist die abgewinkelte Ausbildung der
Man schette 10 mit dem in Richtung des Kolbenbondens 4 geneigten
zweiten Schenkel 11 besonders wirkungsvoll.
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Alternativ
können für Pleuel 12 und Pressring 33 auch
andere Materialien, beispielsweise Kunststoff eingesetzt werden.
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Der
beschriebene Kolbenkompressor 1 lässt sich insbesondere
als Kompressor für Fahrzeuge verwenden, beispielsweise
als Kompressor für eine pneumatisch betriebene Luftfederungsanlage
eines Fahrzeugs oder auch einer Bremsanlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0002]
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