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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressor zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere dessen Komponenten zum Antrieb einer Kompressionseinheit und die Steuerung dieses Antriebs, sowie den Druckluftvorratsbehälter.
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Viele klassische Kompressoren zur Erzeugung von Druckluft sind mit einem Kolbenverdichter ausgerüstet, welcher mittels eines Elektromotors angetrieben wird, die Luft verdichtet und in einen Vorratsbehälter fördert. Der Antrieb erfolgt meist mit einem Wechselstrommotor der mit der Antriebswelle des Kolbenverdichters direkt verbunden ist.
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Derartige Kompressoren gibt es in zahlreichen Ausführungen von kleinen Förderleistungen bis hin zu größeren Anlagen oder Kombinationen von mehreren Kompressoren.
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Eine verbreitete Ausführung von kleineren bis mittleren Kompressoren, welche in Werkstätten, auf Baustellen oder für den mobilen Einsatz von Handwerkern verwendet werden arbeitet in einem Druckbereich zwischen 3 bis 6 bar und verfügt über einen Druckluft-Vorrats-Stahltank unterschiedlicher Größe.
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Üblicher Weise verfügen die Kompressoren über eine, bei einigen Modellen einstellbare Einrichtung, den vorherrschenden Druck zu erkennen und mittels eines Schalters den Motor bei Erreichen eines festgelegten Drucks abzuschalten. Der Motor wird dabei in der Regel lediglich vom Netz getrennt.
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Da als Antrieb für den Kolbenverdichter in der Regel ein Wechselstrommotor eingesetzt wird und solche gängigen Asynchronmotoren nicht gegen hohe Drehmomente anlaufen können, wird nach dem Stand der Technik, die Druckleitung zwischen dem Verdichter und dem Druckluft-Vorratsbehälter mit Abschalten des Motors, bei Erreichen des Solldruckes, entlüftet. Ein solcher Kompressor ist beispielhaft in der
DE 39 23 882 C2 offenbart, in welchem der Motor aufgrund der Entlüftung beim Wiedereinschalten leicht anlaufen kann.
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Solche weit verbreiteten Wechselstrommotoren, wie sie für Kompressoren verwendet werden, sind in der Regel, beim Anlegen an ein 50 bis 60 Hz Stromnetz, auf eine Synchronisationsdrehzahl von etwa 3500 U/min ausgelegt und nur aufwändig, z. B. mittels Frequenzumrichter in ihrer Drehzahl regelbar.
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Der übliche, weit verbreitete Kompressor, startet daher mit voller Drehzahl des Antriebsmotors und erzeugt über den Verdichter den vorgegebenen Druck im Drucktank. Beim Erreichen des festgelegten Drucks wird der Motor komplett abgeschaltet und die Druckleitung zwischen Verdichter und Drucktank entlüftet, was bekannter Weise mit einem typischen Zischen beim Abschalten des Motors einhergeht.
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Fällt der Druck unter einen bestimmten Wert ab, wird der Motor wieder mit dem Netz verbunden und läuft erneut mit voller Drehzahl an, um den Verdichter anzutreiben und der Prozess wiederholt sich.
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Alle derart arbeitenden Systeme haben den Nachteil, dass sie insbesondere durch das Ablassen des Überdrucks und der ständigen Situation des Ein- und Ausschaltens des Antriebsmotors unnötig viel Energie verbrauchen. Ein derartiger Ablauf ist vergleichbar mit einer Fahrweise eines Fahrzeuges mit ständig maximaler Beschleunigung und starker Verzögerung vor einem Hindernis, was nicht sehr energieeffizient ist.
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Wünschenswert wäre ein Kompressor bzw. ein System eines Kompressors, welches einen effizienteren Umgang mit der eingesetzten Energie aufweist, dabei kompakt, leiser und flexibler als bekannte Systeme einsetzbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Kompressor bzw. ein System für einen Kompressor zu schaffen, welche die bekannten Nachteile von Kompressoren, insbesondere derer der beschriebenen Art, minimiert und einen energieeffizienteren, leiseren und kompakteren Kompressor zur Verfügung stellt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Fortbildungen und vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und m Folgenden umfasst.
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Erfindungsgemäß ist ein Kompressor zur Erzeugung von Druckluft, bestehend aus einer Kompressionseinheit zum Verdichten, einem Drucklufttank und einer elektrischen Antriebseinheit mit einer Steuereinrichtung sowie einer Verbindungs- und/oder Umsetzeinrichtung zum Stromnetz, wobei der Kompressor mit einer Prozessor gesteuerten Steuereinrichtung für eine variable Druckluftmenge- und/oder Druck ausgeführt ist welche über eine veränderliche, steuerbare Leistungsabgabe oder Drehzahl der Antriebseinheit erfolgt und der Kompressor über Mittel verfügt Betriebsparameter zu erfassen, welche der Steuereinrichtung zuführbar sind.
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Der Kompressor ist beispielsweise mit einem Kolbenverdichter ausgerüstet und die Antriebseinheit mit der Kurbelwelle verbunden, was direkt oder über ein geeignetes Getriebe erfolgt. Da erfindungsgemäß die Leistung des Kompressors veränderlich ist und über eine Bedienungsschnittstelle der Steuereinrichtung eingestellt wird, ist der Kompressor mit einer Antriebseinheit ausgerüstet, welche in der Drehzahl gut veränderlich ist. Bevorzugt ist der Kompressor, aufgrund des guten Wirkungsgrades und zahlreicher anderer, bekannten Vorteile, mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, auch Brushlessmotor genannt, als Antriebseinheit ausgerüstet.
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Aufgrund der relativ kompakten Bauform bei sehr guter Leistungsabgabe solcher Brushlessmotoren ist auch der Kompressor sehr kompakt und Gewichts-optimiert realisierbar.
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Ein weiterer, großer Vorteil des bevorzugt eingesetzten Brushlessmotors ist die Tatsache, dass derartige Motoren gegen hohe Drehmomente beim Start anlaufen können. Der Kompressor muss daher nicht beim Ausschalten seiner Antriebseinheit die Druckleitung vom Verdichter zum Drucklufttank entleeren, wie dies nach dem Stand der Technik bei beschriebenen Kompressoren der Fall ist.
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Die Antriebseinheit ist mit der Steuereinrichtung verbunden, welche mit einem Regler für Brushlessmotoren ausgerüstet ist oder über eine Schnittstelle verfügt solche anzusteuern und mit diesen zu kommunizieren, wobei die Steuereinrichtung bevorzugt als Einheit mit integriertem Regler ausgeführt ist. Die Motorparameter und Bedingungen unter welchen der Brushlessmotor betrieben wird können mittels eines einer Bedieneinrichtung an der Prozessor gesteuerten Steuereinheit eingestellt werden. Damit ist es möglich Motorparameter, wie maximale Leistung, max. Anlaufmoment komfortabel einzustellen und die Arbeitsweise des Kompressors anzupassen.
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Der integrierte oder verbundene Regler erlaubt auch die Einstellung einer Anlaufphase beim Anschalten des Kompressors sowie verschiedene Szenarien beim Erreichen von eingestellten Maximalwerten, was zu einem optimierten Motorschutz und einer energieeffizienten Betriebsweise führt. Die Einstellung erfolgt mittels einer Schnittstelle an der Steuereinrichtung z. B. über einen anzuschließenden Computer oder über ein Bedienfeld an der Steuereinrichtung, welches mit einem Display und einer Bedienführung ausgestattet ist, womit der Anwender selbst einige Parameter einstellen und die Arbeitsweise beeinflussen kann.
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Aufgrund der guten Einstellbarkeit der Laufparameter des Brushlessmotors mit einem geeigneten Regler kann die Drehzahl des Antriebsmotors sehr schnell und genau eingestellt, bzw. angepasst werden, wodurch die Druckluftleistung über einen weiten Bereich einstellbar ist. Der Antriebsmotor wird bevorzugt auch nicht ständig mit voller Drehzahl bis zum Erreichen eines Druckes und/oder Befüllungsgrades des Drucklufttanks laufen, sondern wird sich bevorzugt des Leistungsbedarfs, bzw. des Bedarfs an Druck und/oder Förderleistung anpassen, was eine hohe Engerieeffizienz und einen leiseren Lauf ermöglicht.
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Dafür ist der Kompressor mit verschiedenen Mess- bzw. Erfassungseinrichtungen ausgerüstet, welche mit der Steuereinrichtung kommunizieren können.
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Der Kompressor verfügt bevorzugt über Mittel zur Erfassung des Drucks, des Luftstromes und der Temperatur, welche an die Steuereinheit gemeldet werden um damit Abläufe zu beeinflussen. Der gewünschte zur Verfügung stehende Druck wird entweder Werk seitig vorgegeben und in die Prozessor gesteuerte Steuereinrichtung einprogrammiert oder kann über das Bedienfeld der Steuereinrichtung vom Anwender selbst programmiert, bzw. ausgewählt werden. Mit den zur Verfügung stehenden Daten wird die benötigte Leistung des Kompressors ermittelt und die Antriebseinheit über die Steuereinrichtung und den Regler für die Antriebseinheit entsprechend angesteuert. Die Drehzahl des Motors wird dabei der benötigten Leistung angepasst und auch bevorzugt während des Betriebs nachgeführt, womit stets der tatsächlich benötigte Druck und die benötigte Fördermenge zur Verfügung steht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung verfügt der Kompressor bzw. das System eines Kompressors über weitere Mittel zur Erfassung von Vibrationen, Hochfrequenzsignalen und anderen Betriebszuständen, womit der Antrieb z. B. beim Erreichen einer besonders kritischen Drehzahl bei welcher sehr starke Vibrationen auftreten, diesen Drehzahlbereich verändert um die Baugruppen zu schützen. Das Erkennen von bestimmten Hochfrequenzsignalen wird benutzt um z. B. bei Aktivität eines Mobilfunktelefons im Umkreis des Kompressors diesen abzuschalten, was zur Verminderung des Verletzungsrisikos beim Arbeiten führt.
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Die genannten Funktionen sind dabei vom Bediener über das Bedienfeld oder einer Schnittstelle zur Steuereinrichtung veränder- bzw. einstellbar.
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Der Kompressor ist zum Anschluss an das Stromnetz mit einem Netzteil ausgerüstet, welches bevorzugt als Weitbereichsnetzteil ausgeführt ist, womit der Kompressor sehr flexibel an den verschiedensten Stromnetzten betreibbar ist. Durch die Verwendung eines solchen, bevorzugt eingesetzten, Weitbereichsnetzteils für z. B. einen Spannungsbereich von 110 bis 270 Volt und Frequenzen von 50 bis 60 Hz ist ein weltweiter Einsatz des Kompressors in nur einer Ausführung möglich, wobei Änderungen am Netzteil weiter möglich bleiben. Bevorzugt ist das Netzteil, die Steuereinheit zusammen mit dem Display und einer Bedienführung als eine, kompakte Einheit ausgeführt und auf dem Kompressor angeordnet.
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Die beschriebene, Leistungsbedarfs-gerechte Steuerung der Antriebseinheit ermöglicht die Verwendung eines kompakten Drucklufttanks, da über die Erfassung des Luftstromes sehr schnell reagiert werden kann und die Antriebseinheit mittel der Steuereinheit zu einer höheren Drehzahl angeregt wird um den aktuellen Luftmengenbedarf zu decken. Das gleiche gilt für die Erkennung eines geringen Luftmengenbedarfs, bei welcher die Drehzahl der Antriebseinheit immer weiter reduziert und schließlich abgeschaltet wird. Der Drucklufttank ist dabei nach einer weiteren bevorzugten Ausführung als kompakter Drucklufttank in Leichtbauweise ausgeführt.
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Eine weitere, bevorzugte Variante sieht einen Drucklufttank in Kunststoffausführung vor, welcher besonders leicht und preisgünstig ist und für Anwendungen bis zu dessen zulässiger Druckbeaufschlagung eingesetzt wird. Diese eine erfindungsgemäße Ausführung eines Drucklufttanks an dem Kompressor erlaubt die Feststellung des herschenden Druckes durch Ermittlung der Ausdehnung des Tanks unter Einbeziehung der aktuellen Temperatur. Eine solche Variante stellt eine einfache und kostengünstige Ausführung dar, den Druck zu ermitteln und für die Betriebszustände des Kompressors zu berücksichtigen. Eine solche Einrichtung zur Ermittlung der Ausdehnung des Drucklufttanks wird bevorzugt als Dehnungsband in den Kunststofftank integriert, wie z. B. in diesen eingegossen oder eingespritzt.
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Der erfindungsgemäße Kompressor stellt mit den, von der Steuereinrichtung und/oder Ermittlungseinrichtungen, erfassten und weiter verarbeiteten Umgebungs- und/oder Betriebszuständen eine einfache und sehr energieeffiziente, komfortable Ausführung eines Kompressors mit einem großen Anwendungsbereich dar. Der Komfort wird nach einer weiteren, bevorzugten Ausführung noch erweitert bei welcher der Kompressor bzw. die Steuereinrichtung über zusätzliche Kommunikationsmittel verfügt mit welchen Daten zwischen dem Kompressor und einem weiteren Kompressor und/oder einem angeschlossenen Druckluftwerkzeug übertragen werden.
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Eine solche Ausführung erlaubt z. B. die automatische Druckregelung beim Anschließen eines Druckluftwerkzeuges welches für die genannte Datenkommunikation z. B. über einen integrierten Chip verfügt. Der Kompressor erkennt beim Anschließen eines solchen Werkzeuges automatisch den Druck- und Luftmengenbedarf und stellt die Parameter entsprechend ein und gibt diese für die dafür optimale Drehzahl an die Regel- und Antriebseinheit weiter. Das gleiche gilt für die Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Kompressoren, welche zu einer leistungsstärkeren Einheit verbunden werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Kompressors nach dem Stand der Technik
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1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kompressors
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3 eine Darstellung einer Steuer- und Antriebseinheit
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4 ein Blockschaltbild der Kompressorsteuerung
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1 zeigt einen Kompressor 1' nach dem Stand der Technik, welcher im direkten Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Kompressor 1 in 2 gezeigt ist. Deutlich zu erkennen ist der Unterschied in der Größe des Drucklufttanks 5 sowie des Antriebsmotors 2.
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Für den hier gewählten Vergleich wurden Kolbenzylinder 4 gleicher Größe dargestellt um eine geeignete Gegenüberstellung der beiden Kompressoren 1 und 1' zu ermöglichen.
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Die Steuereinheit 3 unterscheidet sich zwar in der Größe nicht unbedingt, jedoch verfügt die Steuereinheit 3 über den wesentlich größeren Funktionsumfang, insbesondere mit den erfindungsgemäßen, zusätzlichen Erfassungselementen für die Berücksichtigung von z. B. Druck, Temperatur, Luftstrom, Vibration und anderen Signalen wie z. B. Hochfrequenzsignalen. Die in 2 deutlich zu erkennenden kleineren Abmessungen eines Kompressors 1 lassen erkennen, dass ein Kompressor gleicher Leistungsklasse deutlich kleiner und leichter ausgeführt ist. Der vorzugsweise in Kunststoff ausgeführte Druckluftbehälter 5 ist sehr einfach und kostengünstig für Modelle mit einem entsprechenden Druckbereich von bis zu 6 bis 8 bar herzustellen und weist ein dezutlich geringeres Gewicht als bisherige Stahlbehälter auf.
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Beispielhaft wird in 3 eine Steuereinrichtung 3, gezeigt, welche einen Elektronikteil 6 sowie einen Anzeige- und/oder Bedienteil 7 umfasst und welche mit der Antriebseinheit 2, bevorzugt ein Brushlessmotor, verbunden ist. Ein Regler für den Brushlessmotor 2 ist in der Steuereinheit 3 untergebracht, mit dieser verbunden oder auf dem Elektronikteil 6 der Steuereinheit 3 integriert.
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Auf der Anzeige- oder Bedieneinheit 7 sind Bedienelemente 8 und ein Display 9 angeordnet um den Anwender zum einen Informationen über den Betriebszustand des Kompressors zu liefern und um Arbeitsparamet einstellen zu können. Vom Bediener kann sehr einfach ein gewünschter Druck und/oder eine Luftfördermenge eingestellt werden. Auch können über die Bedieneinheit bevorzugte Sonderfunktionen aktiviert und ausgewählt werden, wie z. B. Notabschaltung bei ankommenden HF Signalen von einem Mobiltelefon oder Komfortfunktionen bezüglich der angeschlossenen Druckluftwerkzeuge.
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Die ermittelten Parameter, welche der Steuereinheit zugeführt werden können in der Elektronikeinheit 6 der Steuereinheit 3 mittels eines Prozessors 10 und einem Speicher verarbeitet werden und es können auf verschiedenste Parameter eingespeicherte oder eingelernte Funktionen und Aktivitäten ausgeführt werden, wie z. B. die Leistungsnachführung bei vermehrter Luftmengenentnahme.
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In 4 ist ein Blockschaltbild gezeigt, welches beispielhaft bevorzugte Funktionen und/oder Abläufe darstellt. Der Kompressor wird mit seinem, bevorzugt als Weitbereichsnetzteil ausgeführtem Netzteil an das Stromnetz angeschlossen. Das Netzteil verfügt über verschiedene Spannungsausgänge um auch die Elektronikkomponenten bedarfsgerecht versorgen zu können. Eine Recheneinheit sammelt, verwaltet, verwertet und verteilt die hinterlegten und über verschiedene Erfassungsvorrichtung gelieferten Daten wie HF Signale, Vibration, Druck, Temperatur und Luftstrom und führt hinterlegte oder eingelernte Abläufe und Funktionen aus.
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Mittels eines Displays und einer Bedieneinrichtung, wie Tastern und/oder Schaltern und einer Menüführung kann der Anwender verschiedene Parameter einsehen und ändern um die Funktion und Leistung des Kompressors an seinen Bedarf anzupassen.
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Die Steuereinheit, bzw. die Recheneinheit steuert den Motorregler und/oder den Motorschutz an um die Antriebseinheit mit der gewünschten Drehzahl anzutreiben.
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Der erfindungsgemäße Kompressor ist eine im Vergleich zum Kompressor nach dem Stand der Technik, kleiner bauende, kostengünstige, sehr universell einzusetzende, leiser laufende, Energie effizienter arbeitende Ausführung, welche einen wesentlich höheren Bedien-, Komfort- und Einstellungsumfang bietet.
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Durch die zusätzlichen Möglichkeiten der Kommunikation mit anderen Kompressoren um diese zu einem Verbund zusammen zu schließen oder der Kommunikation zwischen Kompressor und Druckluftwerkzeugen verringert sich auch die Quote von Fehlbedienungen und das System trägt zur Unfallverhütung bei.
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Nachdem bevorzugte Ausführungen der Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurden, ist festzuhalten, dass die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungen und Anwendungsfälle beschränkt ist und dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen daran von einem Fachmann ausgeführt werden können, ohne dass vom Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist abgewichen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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