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Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinheit, insbesondere eine medizinische oder dentale Verdichtereinheit, zum Verdichten eines gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere von Luft, mit
- a) einem Zylinder;
- b) einem Kolben, der in dem Zylinder mittels eines Kolbenantriebs bewegbar ist und mit dem Zylinder einen Arbeitsraum begrenzt;
- c) einer Einlass-Ventilanordnung, über welche ein gasförmiges Arbeitsfluid bei einem Ansaughub des Kolbens von einem Einlass in den Arbeitsraum hinein strömen kann;
- d) einer Auslass-Ventilanordnung, über welche Arbeitsfluid bei einem Verdichtungshub des Kolbens aus dem Arbeitsraum heraus zu einem Auslass strömen kann.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Kompressorsystem, insbesondere ein medizinisches oder dentales Kompressorsystem, mit
- a) einer Verdichtereinheit;
- b) einem Druckspeicher, der über eine Druckleitung und ein Rückschlagventil mit einem Auslass der Verdichtereinheit verbunden ist.
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Derartige Verdichtereinheiten sind als Kolbenverdichter bekannt. Bei vom Markt her bekannten Verdichtereinheiten und Kompressorsystemen besteht die Schwierigkeit, dass die verwendeten Kolbenantriebe, beispielsweise Ein-Phasen-Wechselstrom-Kondensatormotoren, nur ein begrenztes Anlaufmoment erzeugen und daher nicht gut gegen Druck anlaufen können. Da der Kolbenantrieb jedoch in bekannter Weise abhängig von dem im Druckspeicher herrschenden Druck zyklisch aktiviert und deaktiviert wird und der Anlaufvorgang entsprechend häufig abläuft, ist ein lastfreies Anlaufen wünschenswert.
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Bei vom Markt her bekannten Kompressorsystemen wird dies dadurch erreicht, dass die druckführenden Leitungen zwischen dem Auslass der Verdichtereinheit und dem Rückschlagventil, das zum Druckspeicher führt, druckentlastet werden, wenn der Kolbenantrieb deaktiviert ist, damit kein Druck mehr gegen den Auslass der Verdichtereinheit anliegt. Hierzu ist beispielsweise ein einfaches Ablassventil vorhanden, das mechanisch oder elektrisch betätigbar ist.
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Das Entlasten der unter Druck stehenden Leitungen ist jedoch mit einer nicht unerheblichen Geräuschentwicklung verbunden, die häufig als störend empfunden wird. Auch der an und für sich bekannte Einsatz von Schalldämpfern führt zu keiner befriedigenden Lösung.
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Darüber hinaus erfolgt diese Art der Druckentlastung nicht schlagartig, so dass am Auslass der Verdichtereinheit und damit an deren Arbeitsraum noch weitgehend der Betriebsdruck des Kompressorsystems anliegt, wenn der Kolben antriebslos ausläuft. Dies bedeutet, dass der Kolben durch den anliegenden Druck sehr schnell abgebremst wird. Abhängig von dem anliegenden Druck und den Masseverhältnissen der verbauten Komponenten kann es beispielsweise vorkommen, dass eine Motorwelle des Kolbenantriebs von einer Betriebsdrehzahl zwischen 1400 und 2800 min–1 in weniger als einer halben Umdrehung zum Stillstand abgebremst wird.
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Die in bekannter Weise für einen ruhigen und energieeffizienten Betrieb einer Verdichtereinheit vorhandenen Schwung- und Ausgleichsmassen entwickeln dabei ein enormes Torsionsmoment, wodurch die gesamte Verdichtereinheit stark ausgelenkt wird; damit eine solche Auslenkung möglich ist und kompensiert werden kann, ist die Verdichtereinheit auf weichen Schwingungsdämpfern gelagert.
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Im Hinblick auf die Energieeffizienz ist es zudem nachteilig, dass der Druck am Auslass der Verdichtereinheit nicht gehalten werden kann, wodurch der Druck bei jedem Wiederanlaufen des Kolbens zunächst neu aufgebaut werden muss. Gleichzeitig baut sich dieser Druck jedoch wiederum so rasch auf, dass der Kolben gegen diesen Druck arbeiten muss, bevor der Kolbenantrieb seine Betriebsdrehzahl erreicht hat, was seinerseits den Anlaufvorgang verzögert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verdichtereinheit und ein Kompressorsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welche diesen Gedanken Rechnung tragen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Verdichtereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
- e) eine Entlastungseinrichtung vorhanden ist, mittels welcher ein Entlastungsströmungsweg herstellbar ist, durch den Arbeitsfluid bei einem Verdichtungshub des Kolbens an der Auslass-Ventilanordnung vorbei aus dem Arbeitsraum abströmen kann.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Druckentlastung auch aus dem Arbeitsraum an der Auslass-Ventilanordnung vorbei erfolgen kann, so dass der Kolben lastfrei auslaufen kann. Insbesondere kommt es dabei nicht zu einer Geräuschentwicklung, da kein Druck abgelassen werden muss. Dabei kann die Druckentlastung im Gegensatz zu bekannten Systemen insbesondere auf der Saugseite der Verdichtereinheit erfolgen.
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Darüber hinaus kann der Druck in den druckführenden Leitungen zwischen dem Auslass der Verdichtereinheit und dem Druckspeicher aufrechterhalten bleiben, so dass das Kompressorsystem auch rasch wieder auf Betriebsdruck ist. Der Entlastungsströmungsweg kann auch beim Anlaufen des Kolbens offen gehalten und erst dann gesperrt werden, wenn der Kolbenantrieb seine Betriebsdrehzahl erreicht hat. So muss der Kolben beim Anlaufen nicht gegen den an dem Auslass anliegenden Druck arbeiten.
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Es ist günstig, wenn die Entlastungseinrichtung eine Entlastungsventilanordnung in dem Entlastungsströmungsweg umfasst, welche bei einem Verdichtungshub des Kolbens eine Offenkonfiguration einnimmt. Somit kann der Entlastungsströmungsweg durch eine entsprechende Ansteuerung der Entlastungsventilanordnung wahlweise freigegeben oder gesperrt werden.
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Wenn die Entlastungsventilanordnung durch die Einlass-Ventilanordnung ausgebildet ist, müssen vorteilhaft keine Zusatzkomponenten installiert werden. Alternativ kann die Entlastungsventilanordnung eine gesonderte Entlastungsventilanordnung sein, die unabhängig von der Einlass-Ventilanordnung arbeitet.
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Es ist besonders günstig, wenn die Verdichtereinheit eine Stelleinrichtung umfasst, durch welche die Entlastungsventilanordnung derart in eine Offenkonfiguration bringbar ist, dass die Offenkonfiguration bei einem Verdichtungshub des Kolbens aufrechterhalten ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Stelleinrichtung pneumatisch arbeitet und einen Druckmitteleingang aufweist. Alternativ kann die Stelleinrichtung auch magnetisch oder mechanisch betrieben werden.
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Es ist günstig, wenn die Stelleinrichtung ein bewegbares Stellglied umfasst, durch welches ein Ventilkörper der Entlastungsventilanordnung in eine Offenstellung bringbar ist. Bei einem mechanischen Betrieb kann das Stellglied beispielsweise durch einen Bowdenzug oder dergleichen bewegt werden.
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Eine technisch günstige Lösung ist es, wenn die Entlastungsventilanordnung als Blattfederventil und der Ventilkörper als Blattfeder ausgebildet ist. Eine Blattfeder kann auf verhältnismäßig einfache Weise von einer sonst verschlossenen Öffnung weggedrückt und gegebenenfalls in dieser Offenstellung gehalten werden.
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Besonders günstig ist es bei einem pneumatischen Betrieb, wenn das Stellglied über den Druckmitteleingang mit einem Druckmittel, insbesondere Druckluft, beaufschlagbar ist.
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Wenn das Stellglied mittels einer Feder in eine Neutralstellung vorgespannt ist, in welcher das Stellglied den Ventilkörper der Entlastungsventilanordnung freigibt, ist sichergestellt, dass es ohne eine gezielte Ansteuerung der Stelleinrichtung zu keinem Druckabfall im Arbeitsraum kommt, bzw., dass Druck aufgebaut werden kann.
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Die oben genannte Aufgabe wird bei einem Kompressorsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
- c) die Verdichtereinheit eine Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.
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Die Vorteile entsprechen den oben zur Verdichtereinheit genannten Vorteilen.
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Es ist dabei besonders günstig, wenn die Verdichtereinheit eine Verdichtereinheit nach einen der Ansprüche 5 bis 9 ist, d. h. insbesondere, dass sie pneumatisch arbeitet, und ein Strömungsweg von der Druckleitung oder von dem Druckspeicher zu dem Druckmitteleingang der Stelleinrichtung herstellbar oder sperrbar ist.
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Vorzugsweise ist dann ein Stellventil vorhanden, durch welches der Strömungsweg von der Druckleitung oder von dem Druckspeicher zu dem Druckmitteleingang der Stelleinrichtung herstellbar oder sperrbar ist und welches hierzu eine Steuerstellung oder eine Sperrstellung einnehmen kann. Auf diese Weise kann der in den druckführenden Leitungen anliegende Druck genutzt werden, um die Stelleinrichtung zu betreiben. Es ist keine gesonderte Versorgung zum Betrieb der Stelleinrichtung erforderlich.
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Es kann eine Drucksteuerung vorhanden sein, durch welche der Druck im Druckspeicher erfassbar ist und welche das Stellventil derart ansteuert, dass dieses seine Steuerstellung einnimmt, wenn der Druck im Druckspeicher einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kann die Druckentlastung des Arbeitsraumes der Verdichtereinheit automatisiert erfolgen.
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Bei einer ersten günstigen Ausbildung ist das Stellventil ein 2/2-Wegeventil und die Stelleinrichtung umfasst eine Druckablassöffnung, durch welche Druckmittel aus der Stelleinrichtung abströmen kann. Hierauf wird weiter unten nochmals im Detail eingegangen.
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Bei einer zweiten vorteilhaften Ausbildung ist das Stellventil ein 3/2-Wegeventil und sperrt in seiner Sperrstellung den Strömungsweg von der Druckleitung zu dem Druckmitteleingang der Stelleinrichtung und verbindet außerdem den Druckmitteleingang der Stelleinrichtung mit einem weitgehend druckfreien Druckablassausgang. Auch dies wird weiter unten noch näher erläutert.
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Es ist außerdem von Vorteil, wenn die Verdichtereinheit die gesonderte Entlastungsventilanordnung umfasst und eine Drucksteuerung vorhanden ist, durch welche der Druck im Druckspeicher erfassbar ist und welche die gesonderte Entlastungsventilanordnung derart ansteuert, dass diese ihre Entlastungsstellung einnimmt, wenn der Druck im Druckspeicher einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In diesem Fall kann auf ein zusätzliches Steuerventil am Druckspeicher verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist die gesonderte Entlastungsventilanordnung als ansprechverzögertes 2/2-Wegeventil ausgebildet.
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Nachstehend werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 einen Schnitt einer Verdichtereinheit mit einer Entlastungseinrichtung;
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2 eine Ausschnittsvergrößerung der Verdichtereinheit von 1, wobei ein Stellglied der Entlastungseinrichtung eine Neutralstellung einnimmt;
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3 eine der 2 entsprechende Ausschnittsvergrößerung der Verdichtereinheit von 1, wobei das Stellglied der Entlastungseinrichtung eine Entlastungsstellung einnimmt;
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4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kompressorsystems;
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kompressorsystems;
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6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kompressorsystems;
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7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kompressorsystems mit einer abgewandelten Verdichtereinheit;
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8 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Kompressorsystems mit einer nochmals abgewandelten Verdichtereinheit.
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Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, welche einen Schnitt einer Verdichtereinheit 10 für ein gasförmiges Arbeitsfluid zeigt, die in Kompressorsystemen 12, 14 oder auch 128 bzw. 134 und 136 verwendet wird, welche ihrerseits in den 4 und 5 sowie 6 bzw. 7 und 8 veranschaulicht sind und auf welche weiter unten näher eingegangen wird. Dort sind die Verdichtereinheit 10 jeweils schematisch und nur die hier wesentlichen Komponenten dargestellt.
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Die Verdichtereinheit 10 ist als Druckluftkompressor 16 ausgebildet und dient zur Bereitstellung von Druckluft als Arbeitsfluid für dentale, medizinische oder technische Anwendungen.
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Der Druckluftkompressor 16 umfasst eine Zylinderanordnung mit einem Zylindergehäuse 18, in dem ein Zylinder 20 untergebracht ist, der auf einer Stirnseite 22 zu einem Kurbelgehäuse 24 hin offen ist, das mit dem Zylindergehäuse 18 verbunden ist. In dem Zylinder 20 ist ein Kolben 26 mittels eines Kolbenantriebs 28 bewegbar. Hierzu umfasst der Kolbenantrieb 28 in an und für sich bekannter Weise eine Pleuelstange 30, welche an einem Ende mit dem Kolben 26 und am gegenüberliegenden Ende mit einem Exzenter 32 gekoppelt ist. Der Exzenter 32 ist im Kurbelgehäuse 24 angeordnet und sitzt seinerseits drehfest auf einer Motorwelle 34 eines Elektromotors 36, der ansonsten nicht weiter erläutert werden muss.
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In einer zur offenen Stirnseite 22 gegenüberliegenden Stirnwand 38 des Zylinders 20 sind eine Zylinder-Einlassöffnung 40 und eine Zylinder-Auslassöffnung 42 vorhanden, wobei die Zylinder-Auslassöffnung 42 auf Grund des Schnittes nicht in den 1 bis 3, jedoch in den 4 und 5 zu erkennen ist.
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Die Stirnwand 38 des Zylinders 20 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Abschnitt des Zylindergehäuses 18 gebildet, d. h. der Zylinder 20 ist hierbei als Zylinderhülse gefertigt. Die Stirnwand 38 kann jedoch auch zum Zylinder 20 selbst gehören, wie es als Abwandlung in den 4 und 5 veranschaulicht ist. In diesem Fall ist der Zylinder 20 becherförmig.
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Zwischen dem Kolben 26 und der Stirnwand 38 des Zylinders 20 ist nun ein Arbeitsraum 44 des Zylinders 20 gebildet, dessen Volumen von der Stellung des Kolbens 26 im Zylinder 20 abhängt und welcher radial durch die Innenmantelfläche des Zylinders 20 begrenzt ist.
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Die Zylinder-Einlassöffnung 40 ist über einen Ansaugkanal 46 mit dem Innenraum des Kurbelgehäuses 24 des Druckluftkompressors 16 verbunden. Ein Zylinder-Einlassstutzen 48 wird in der vorliegenden Ausführung durch ein in das Kurbelgehäuse 24 eingebautes Filtergehäuse gebildet, in dem ein Partikelfilter eingebaut ist. Die Ansaugung erfolgt durch diesen Filter und den Innenraum des Kurbelgehäuses 24 zum Ansaugkanal 46. Die Zylinder-Auslassöffnung 42 führt über einen Abgabekanal 50 zu einem als Auslassstutzen 52 ausgebildeten Auslass, wobei ersterer nur in den 4 und 5 zu erkennen ist. Die Zylinder-Einlassöffnung 40 und der Ansaugkanal 46 sind somit Abschnitte eines Strömungsweges 54 zwischen dem Einlassstutzen 48 und dem Arbeitsraum 44 des Zylinders 20, während die Zylinder-Auslassöffnung 42 und der Abgabekanal 50 Abschnitte eines Strömungsweges 56 zwischen dem Arbeitsraum 44 und dem Auslassstutzen 52 sind.
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In dem Strömungsweg 54 ist eine Einlass-Ventilanordnung 58 angeordnet. Diese bildet ein Rückschlagventil 60, welches in Strömungsrichtung auf den Arbeitsraum 44 hin öffnet und in Richtung auf den Einlassstutzen 48 hin schließt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Rückschlagventil 60 als Blattfederventil 62 mit einer Blattfeder 64 ausgebildet, die von Innen an der Zylinder-Einlassöffnung 40 anliegt, wie es an und für sich bekannt ist.
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In entsprechender Weise ist im Strömungsweg 56 zwischen dem Arbeitsraum 44 und dem Auslassstutzen 52 eine Auslass-Ventilanordnung 66 angeordnet. Diese bildet nun ein Rückschlagventil 68, welches in Strömungsrichtung auf den Auslassstutzen 52 hin öffnet und durch einen Ventilkörper in Richtung auf den Arbeitsraum 44 hin schließt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auch das Rückschlagventil 68 als Blattfederventil 70 mit einer Blattfeder 72 als Ventilkörper ausgebildet, wobei diese in an und für sich bekannter Weise von außen an der Zylinder-Auslassöffnung 42 anliegt.
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Luft wird somit in an und für sich bekannter Weise bei einem Ansaughub des Kolbens 26 auf einem Weg über die Einlass-Ventilanordnung 58 in den Arbeitsraum 44 angesaugt und bei einem Verdichtungshub des Kolbens 26 über die Auslass-Ventilanordnung 66 aus dem Arbeitsraum 44 heraus gedrückt, wobei die Einlass-Ventilanordnung 58 und die Auslass-Ventilanordnung 66 sich gegenläufig in einer Offen- und einer Schließkonfiguration befinden.
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Die Verdichtereinheit 10 umfasst außerdem eine Entlastungseinrichtung 74, mittels welcher ein Entlastungsströmungsweg 76 herstellbar ist, durch den Arbeitsfluid bei einem Verdichtungshub des Kolbens an der Auslass-Ventilanordnung 66 vorbei aus dem Arbeitsraum 44 abströmen kann.
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Durch die Entlastungseinrichtung 74 kann der Entlastungsströmungsweg 76 zwischen dem Arbeitsraum 44 des Zylinders 20 und einem Entlastungsausgang 78 hergestellt und über einen vorgebbaren Zeitraum offen gehalten werden. Die Entlastungseinrichtung 74 ist in den 2 und 3 in größerem Maßstab zu erkennen; der Übersichtlichkeit halber sind die zugehörigen Komponenten auch nur dort mit Bezugszeichen versehen.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Entlastungsausgang 78 durch den Einlassstutzen 48 und der Entlastungsströmungsweg 76 durch den Strömungsweg 54 zwischen der Zylinder-Einlassöffnung 40 und dem Einlassstutzen 48 ausgebildet. So kann die während eines Saughubes angesaugte Luft über den Ansaugkanal 46 zurück in das Kurbelgehäuse 24 und von dort durch den Partikelfilter in die Umgebung abströmen.
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Hierzu umfasst die Entlastungseinrichtung 74 eine Stelleinrichtung 80, durch welche der Strömungsweg zwischen der Zylinder-Einlassöffnung 40 und dem Kurbelgehäuse 24 geöffnet und über einen vorgebbaren Zeitraum offen gehalten werden kann. Im Zusammenspiel mit der Blattfeder 64 der Einlass-Ventilanordnung 58 weist die Stelleinrichtung 80 zu diesem Zweck ein Stellglied 82 auf, welches zwischen einer Neutralstellung und einer Entlastungsstellung verstellbar ist.
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In der Neutralstellung (vgl. 1 und 2) wirkt das Stellglied 82 nicht auf die Blattfeder 64 ein und gibt diese frei, so dass diese die Zylinder-Einlassöffnung 40 bei einem Ansaughub des Kolbens 26 öffnen und bei einem Verdichtungshub des Kolbens 26 verschließen kann.
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In der Entlastungsstellung drückt das Stellglied 82 derart gegen die Blattfeder 64 der Einlass-Ventilanordnung 58, dass diese in einer Offenstellung gehalten ist, in welcher die Zylinder-Einlassöffnung 40 freigegeben ist (vgl. 3). Der Strömungsweg 54 zwischen dem Arbeitsraum 44 und dem Kurbelgehäuse 24 und damit dem Einlassstutzen 48 ist in diesem Fall permanent offen und der Entlastungsströmungsweg 76 ist hergestellt, wodurch sich der Kolben 26 lastfrei im Zylinder 20 bewegen kann.
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Für einen störungsfreien, effektiven Betrieb der Verdichtereinheit 10 ist es von großer Wichtigkeit, dass durch die Entlastungseinrichtung 74 keine zusätzlichen, schädlichen Volumina entstehen.
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Als ”Entlastungsstellung” sind somit alle Positionen des Stellgliedes 82 zu verstehen, in denen die Zylinder-Einlassöffnung 40 offen gehalten ist. Entsprechend sind mit dem Begriff ”Neutralstellung” alle Positionen des Stellgliedes 82 gemeint, in denen dieses die Einlass-Ventilanordnung 58 nicht beeinflusst.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die Einlass-Ventilanordnung 58 somit eine Entlastungsventilanordnung 59, welche im Entlastungsströmungsweg 76 angeordnet ist.
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Allgemein ausgedrückt kann die Entlastungsventilanordnung 59 durch die Stelleinrichtung 80 derart in ihre Offenkonfiguration gebracht werden, dass die Offenkonfiguration auch bei einem Verdichtungshub des Kolbens 26 aufrechterhalten bleibt.
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Das Stellglied 82 umfasst beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Stellkolben 84, der in einem Steuerzylinder 86 der Stelleinrichtung 80 geführt ist, und eine mit dem Stellkolben 84 verbunden Stellstange 88, die nach außen aus dem Steuerzylinder 86 herausragt. Die Stellstange 88 ist in der Neutralstellung des Stellgliedes 82 von der Blattfeder 64 weg in den Steuerzylinder 86 eingefahren, während sie in der Entlastungsstellung des Stellgliedes 82 demgegenüber aus dem Steuerzylinder 86 ausgefahren ist. Der Stellkolben 84 ist durch eine Feder 90 derart federbeaufschlagt, dass das Stellglied 82 ohne weitere Krafteinwirkung in seiner Neutralstellung gehalten oder gegebenenfalls zunächst in seine Neutralstellung bewegt wird.
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Um das Stellglied 82 in seine Entlastungsstellung bringen zu können, ist der Steuerzylinder 86 über einen Steuerkanal 92 mit einem Druckmitteleingang 94 verbunden, über welchen ein Druckraum 96 (vgl. 3) des Steuerzylinders 86 auf der von der Stellstange 88 abliegenden Seite des Stellkolbens 84 mit Druckluft beaufschlagt werden kann, die dann auf den Stellkolben 84 wirkt. Hierdurch wird das Stellglied 82 gegen die Kraft der Feder 90 aus der Neutralstellung in die Entlastungsstellung bewegt.
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Ohne Druckluftzufuhr zum Steuerzylinder 86 wird das Stellglied 82 durch die Federkraft der Feder 90 in seiner Neutralstellung gehalten bzw. bewegt sich gegebenenfalls zuvor aus seiner Entlastungsstellung zunächst wieder zurück in seine Neutralstellung.
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Das Stellglied 82 wird somit pneumatisch betrieben. Alternativ kann das Stellglied 82 auch elektromagnetisch oder mechanisch beispielsweise mittels eines Bowdenzuges bewegt werden.
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Wie oben erläutert wurde, ist die Verdichtereinheit 10 Teil eines Kompressorsystems 12, welches in 4 veranschaulicht ist, in der die Verdichtereinheit 10 in Form des Druckluftkompressors 16 nochmals schematisch wiedergegeben ist.
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Dessen Auslassstutzen 52 ist über eine Druckleitung 98 mit einem Druckspeicher 100 verbunden, aus dem komprimierte Luft über einen Entnahmeanschluss 102 entnommen werden kann.
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In der Druckleitung 98 ist ein Rückschlagventil 104 angeordnet, welches in Richtung auf den Druckluftkompressor 16 hin schließt.
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Stromauf des Rückschlagventils 104 ist die Druckleitung 98 über eine Zweigleitung 106 mit einem Stellventil 108 verbunden, welches eine Steuer- oder eine Sperrstellung einnehmen kann. In der Steuerstellung des Stellventils 108 ist die Zweigleitung 106 mit einer Steuerleitung 112 verbunden, die zu dem Druckmitteleingang 94 der Entlastungseinrichtung 74 führt. In der Sperrstellung des Stellventils 108 ist die Zweigleitung 106 blockiert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Stellventil 108 als 2/2-Wegeventil 110 ausgebildet.
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Allgemein ausgedrückt kann durch das Stellventil 108 ein Strömungsweg, der hier durch die Zweigleitung 106 und die Steuerleitung 112 gebildet ist, von der Druckleitung 98 zu dem Druckmitteleingang 94 der Stelleinrichtung 80 hergestellt oder gesperrt werden.
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Deren Steuerzylinder 86 weist bei dem Kompressorsystem 14 eine Druckablassöffnung 114 auf, über welche der Druckraum 96 des Steuerzylinders 86 zur Umgebung hin offen ist. Die Druckablassöffnung 114 führt zu einer Drossel 115, die ein kontrolliertes Abströmen der Steuerluft ermöglicht; dadurch wird auch der Druck in der Druckleitung 98 langsam abgebaut.
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Das Stellventil 108 wird mittels einer Drucksteuerung 116 angesteuert, welche einen Drucksensor 118 umfasst, welcher den Druck im Druckspeicher 100 erfasst. Der Drucksensor 118 kommuniziert mit einem Druckschalter 120, durch welchen das Stellventil 108 in seine Sperrstellung gebracht wird, wenn der Druck im Druckspeicher 100 unterhalb eines vorgegebenen Druck-Schwellenwertes liegt, und durch welchen das Stellventil 108 in seine Steuerstellung gebracht wird, wenn der Druck im Druckspeicher 100 diesen Druck-Schwellenwert übersteigt. Die Verdichtereinheit 10 und das Kompressorsystem 14 arbeiten nun wie folgt:
In einer Ausgangskonfiguration nimmt das Stellventil 108 seine Sperrstellung ein, der Entnahmeanschluss 102 des Kompressorsystem 14 ist geschlossen und das Stellglied 82 der Entlastungseinrichtung ist in seiner Neutralstellung, so dass sich die Blattfeder 64 der Einlass-Ventilanordnung 58 frei bewegen kann.
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Um Druckluft am Entnahmeanschluss 102 des Kompressorsystems 14 bereitzustellen, wird der Elektromotor 36 aktiviert. Nun wird Luft bei einem Ansaughub des Kolbens 26 über den Einlassstutzen 48 und das Kurbelgehäuse 24 und den Ansaugkanal 46 in den Arbeitsraum 44 angesaugt und bei einem Verdichtungshub des Kolbens 26 aus dem Arbeitsraum 44 auf dem Weg über die Auslass-Ventilanordnung 66, den Abgabekanal 50, den Auslassstutzen 52 und die Druckleitung 98 in den Druckspeicher 100 abgegeben.
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In dem Druckspeicher 100 baut sich so in bekannter Weise ein Arbeitsdruck auf, welcher von dem Drucksensor 118 der Drucksteuerung 116 erfasst wird.
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Wenn nun ein bestimmter Soll-Arbeitsdruck im Druckspeicher 100 erreicht ist, bringt der Druckschalter 120 der Drucksteuerung 116 das Stellventil 108 in dessen Steuerstellung, so dass die vom Auslassstutzen 52 kommende Luft vor dem Rückschlagventil 104 in der Druckleitung 98 umgeleitet wird und über die Zweigleitung 106 in die Steuerleitung 112 und auf diesem Weg zum Steuerzylinder 86 und in dessen Druckraum 96 gelangt. Hierdurch wird das Stellglied 82 in seine Entlastungsstellung bewegt, die Zylinder-Einlassöffnung 40 geöffnet und der Entlastungsströmungsweg 76 hergestellt. Die angesaugte Luft verlässt dabei den Arbeitsraum 44 unkomprimiert auf demselben Weg wie beim Ansaugvorgang, was ohne nennenswertes Drehmoment des Elektromotors 36 möglich ist.
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Zugleich wird der Elektromotor 36 deaktiviert und der Kolben 26 im Zylinder 20 kann auf Grund des nun offenen Entlastungsströmungsweges 76 lastfrei auslaufen, wie es oben erläutert wurde.
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Die Drucksteuerung 116 ist so eingestellt, dass das Stellventil 108 in die Steuerstellung und erst dann wieder in die Sperrstellung gebracht wird wenn der Druck im Druckbehälter 100 unter seinen vorgegebenen Schwellenwert sinkt und der Elektromotor 36 wieder aktiviert wird.
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In der Druckleitung 98 und in dem Abgabekanal 50 zwischen der Auslass-Ventilanordnung 66 und der Auslassstutzen 52 bleibt ein Restdruck aufrechterhalten. Auch im Druckspeicher 100 steht noch der anliegende Arbeitsdruck zur Verfügung.
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Durch die Druckablassöffnung 114 im Stellzylinder 86 strömt die Luft aus dessen Druckraum 96 aus und der Druck auf das Stellglied 82 lässt sukzessive nach. Bei diesem Vorgang wird auch der Druck vor dem Rückschlagventil 104 in der Druckleitung 98 langsam abgebaut. Dabei bewegt sich das Stellglied 82 durch die Kraft der Feder 90 wieder in seine Neutralstellung zurück, wodurch die Blattfeder 64 der Einlass-Ventilanordnung 58 die Zylinder-Einlassöffnung 40 wieder gegen den Verdichtungshub des Kolbens 26 verschließen kann.
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Der Durchmesser der Druckablassöffnung 114 ist so gewählt, dass es einerseits möglich ist, in dem Druckraum 96 einen Druck aufzubauen, der ausreicht, um das Stellglied 82 in seine Entlastungsstellung zu bewegen, und dass andererseits das Abströmen der Druckluft aus dem Druckraum 96 derart langsam erfolgt, dass die Zylinder-Einlassöffnung 40 so lange permanent offen gehalten wird, dass der Kolben 26 bis zu seinem Stillstand frei auslaufen kann.
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Anstelle der Druckablassöffnung 114 im Steuerzylinder 86 kann auch eine entsprechende Öffnung, zum Beispiel in Form einer Druckablassdüse, auch an anderer Stelle, beispielsweise in der Steuerleitung 112, vorgesehen sein.
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Nach einer gewissen Zeit ist der Entlastungsströmungsweg 76 somit wieder gesperrt und die Einlass-Ventilanordnung 58 kann wieder in ihrer Grundfunktion wirken. Wenn nun der Arbeitsdruck im Druckspeicher 100 auf einen unteren, vorgegebenen Schwellenwert absinkt, wird der Elektromotor 36 wieder aktiviert und der Druck im Druckspeicher 100 wieder aufgebaut; wobei das Stellventil 108, wie oben erwähnt, wieder in seine Sperrstellung gebracht wurde.
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Das in 5 gezeigte Kompressorsystem 16 ist gegenüber dem Kompressorsystem 14 nach 4 leicht abgewandelt. Dort weist der Steuerzylinder 86 keine Druckablassöffnung 114 auf. Ferner sperrt das Stellventil 108 in seiner Sperrstellung nicht nur die Zweigleitung 106, sondern verbindet in dieser Sperrstellung zugleich die Steuerleitung 112 mit einem weitgehend druckfreien Druckablassausgang 122, der vorliegend zur Umgebung offen ist. Hierzu ist das Steuerventil 108 bei diesem Ausführungsbeispiel als 3/2-Wegeventil 124 ausgebildet. Bei dem Druckablassausgang 122 kann ergänzend ein Schalldämpfer 126 vorgesehen sein.
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Das Kompressorsystem 16 nach 5 arbeitet grundsätzlich genauso wie das Kompressorsystem 14 nach 4. Lediglich der Druckabbau aus dem Druckraum 96 des Stellzylinders 86 erfolgt hier auf anderem Wege, nachdem der Entlastungsströmungsweg 76 hergestellt wurde.
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Nachdem das Stellventil 108 in Form des 3/2-Wegeventils 124 in seine Steuerstellung und nach dem Start des Elektromotors 36 wieder zurück in seine Sperrstellung gebracht wurde, ist der Druckraum 96 des Stellzylinders 86 über die Steuerleitung 112 mit dem Druckablassausgang 122 verbunden, so dass Luft aus dem Steuerzylinder 86 zurück durch die Steuerleitung 112 strömen kann, wodurch der Druck im Druckraum 96 des Steuerzylinders 86 abnimmt und das Stellglied 82 sich wieder in seine Neutralstellung bewegt.
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Befindet sich in der Druckablassleitung 122 eine, gegebenenfalls einstellbare, Drosseldüse, kann die Druckluft im Druckraum 96 nach dem Start des Elektromotors 36 ausreichend langsam abströmen. Damit wird erreicht, dass die Einlass-Ventilanordnung 58 erst verzögert freigegeben wird und die Verdichtereinheit 10 ohne Druck startet, wie es beim Auslaufen der Fall ist. Durch den drucklosen Anlauf wird auch eine geringere Motorleistung beim Start benötigt. Unter Umständen kann dadurch ein Elektromotor 36 mit geringerer Leistungsaufnahme eingesetzt werden.
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Durch die Verdichtereinheit 10 mit der Entlastungseinrichtung 74 ist es bei beiden Kompressorsystemen 14 und 16 außerdem möglich, dass der Kolben 26 auch beim Anlaufen des Verdichters 10 lastfrei bewegt werden kann.
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Hierzu wird kurz nach dem Aktivieren des Elektromotors 36 das Stellventil 108, vorliegend in Form des 2/2-Wegeventils 110 oder des 3/2-Wegeventils 124, kurzzeitig in seine Steuerstellung und danach wieder in seine Sperrstellung gebracht, wodurch Luft aus dem Arbeitsraum 44 zunächst auf das Stellglied 82 wirkt und die Zylinder-Einlassöffnung 40 geöffnet wird. Der Kolben 26 kann dann bei geöffnetem Entlastungsströmungsweg 76 im weiteren Anlaufvorgang lastfrei bewegt werden, bis der Elektromotor 36 eine bestimmte Betriebsdrehzahl erreicht hat.
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Wenn dann die Einlass-Ventilanordnung 58 gegen die Verdichtungshübe des Kolbens 26 schließt, wird die Luft zum Druckspeicher 100 hin verdichtet.
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6 zeigt ein nochmals abgewandeltes Kompressorsystem 128. Bei diesem ist statt der Zweigleitung 106, welche die Druckleitung 98 mit dem Stellventil 108 verbindet, eine Verbindungsleitung 130 von dem Druckspeicher 100 zu dem Stellventil 108 vorhanden. Außerdem ist das Stellventil 108 als ansprechverzögertes 3/2-Wegeventil 132 ausgebildet, welches als Ausgangsstellung die Steuerstellung einnimmt; in dieser ist die Verbindungsleitung 128 mit der Steuerleitung 112 verbunden, die zu dem Druckmitteleingang 94 der Entlastungseinrichtung 74 führt. In der Sperrstellung sperrt das Stellventil 108 bei diesem Ausführungsbeispiel einerseits die Verbindungsleitung 128 und verbindet andererseits die Steuerleitung 112 mit dem Druckablassausgang 122, wie es auch bei dem Kompressorsystem 14 nach 5 der Fall ist.
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Dadurch, dass das Stellventil 108 in seiner Ruhestellung eine Verbindung zwischen dem Druckbehälter 100 und der Entlastungseinrichtung 74 herstellt, verbleibt das Stellglied 82 in seiner ausgefahrenen Stellung, bis der Druck im Druckbehälter 100 unterhalb des vorgegebenen Druck-Schwellenwertes zu liegen kommt.
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Anstelle der Ansprechverzögerung kann auch ein direkt schaltendes 3/2-Wegeventil eingesetzt werden. Hierbei kann die Druckentlastung nach dem Rückschalten über eine mechanische Drosseldüse erfolgen, so dass sich der Druck im Steuerzylinder 96 nach dem Start des Elektromotors 36 langsam abbaut und das Ansaugventil für selbsttätiges Öffnen und Schließen wieder frei gibt.
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Die 7 und 8 zeigen jeweils ein Kompressorsystem 134 bzw. 136 und eine jeweils abgewandelte Verdichtereinheit 10, bei welcher die Entlastungseinrichtung 74 statt der Einlass-Ventilanordnung 58 jeweils eine gesonderte Entlastungsventilanordnung 138 mit einem Druckmitteleingang 94 umfasst, die unabhängig von der Einlass-Ventilanordnung 58 arbeitet. Durch die Stelleinrichtung 80 wird dort die Entlastungsventilanordnung 138 betätigt. In diesem Fall hat auch der Entlastungsströmungsweg 76 einen vom Strömungsweg 54 unabhängigen Verlauf und der Entlastungsausgang 78 ist separat und nicht mehr durch den Einlassstutzen 48 ausgebildet.
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Bei dem in 7 gezeigten Kompressorsystem 134 ist hierzu anstelle des Steuerzylinders 86 mit dem Stellglied 82 ein druckgesteuertes 2/2-Wegeventil 140 vorhanden, welches über den Entlastungsausgang 78 direkt an den Arbeitsraum 44 angeschlossen ist und von dem Stellventil 108 in Form des ansprechverzögerten 3/2-Wegeventils 132 in Durchfluss-Ruhestellung angesteuert wird.
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In ihrer Neutralstellung verschließt die Entlastungsventilanordnung 138 den Entlastungsausgang 78. In der Entlastungsstellung verbindet die Entlastungsventilanordnung 138 den Entlastungsausgang 78 mit einer Entlastungsleitung 142, die zur Umgebung offen ist und in der wieder ein Schalldämpfer 144 angeordnet sein kann.
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Bei dem in 8 gezeigten Kompressorsystem 136 umfasst die Entlastungsventilanordnung 138 statt des 2/2-Wegeventils 140 ein ansprechverzögertes 2/2-Wegeventil 146. In diesem Fall kann auf das Steuerventil 108 am Druckspeicher 100 verzichtet werden; vielmehr ist das ansprechverzögerte 2/2-Wegeventil 146 über die Drucksteuerung 116 mit dem Druckspeicher 100 verbunden. Wenn der Druck im Druckspeicher 100 den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, wird das ansprechverzögerte 2/2-Wegeventil 146 in seine Entlastungsstellung gebracht und die Verdichtereinheit 10 kann druckentlastet auslaufen.
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Bei allen oben erläuterten Ausführungsbeispielen erfolgt die Druckentlastung des Arbeitsraumes 44 auf der Saugseite der Verdichtereinheit 10.
