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Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverdichter, insbesondere einen Hubkolbenverdichter für eine tragbare Kleinkompressoreinheit, mit einem über einen Schubkurbeltrieb angetriebenen und einem in einem Zylinder hin- und her bewegbaren und gegenüber der Zylinderwand abgedichteten Kolben, wobei der Schubkurbeltrieb ein auf einer Kurbelwelle angeordnetes Kurbelrad mit einem exzentrischen Kurbelzapfen aufweist sowie ein zwischen dem Kolben und dem Kurbelzapfen angeordnetes Pleuel, wobei der Kolben bzw. Kolbenboden feststehend zur Pleuelachse angeordnet ist.
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Solche Hubkolbenverdichter werden üblicherweise von kleinen schnelldrehenden Elektromotoren angetrieben, die über ein Ritzel auf ihrer Abtriebswelle in eine entsprechende Außenverzahnung des Kurbelrads eingreifen.
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Kleine Kompressoreinheiten werden häufig für so genannte „Pannensets“ benötigt, d.h. für Pannenhilfesysteme insbesondere zum temporären Abdichten und Wiederaufpumpen von Kfz-Reifen nach Luftverlust. Oft sind weitere Funktionen vorhanden oder durch Umschalten nutzbar, wie z.B. die Nutzung allein des Kompressors beim Aufblasen von Luftmatratzen oder Gummibooten. Sowohl in der Herstellung als auch bei der Montage von solchen kleinen, aber schnelllaufenden Kompressoren soll möglichst wenig Aufwand entstehen und somit kostenintensive Herstellungsmethoden und Materialien vermieden werden, was häufig zur Verwendung von einfachen und leichten Kunststoffen für allerlei Bauteile, u.a. auch für den Kolben führt.
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In diesen Luftkompressoren wird üblicherweise ein rotationssymmetrischer Kolben in einem rotationssymmetrischen Zylinder eingesetzt. Zur Kostensenkung wird bei diesen Systemen auf ein Kolbengelenk verzichtet und der Kolben starr über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden. Bei einer rechtwinkligen Verbindung zwischen Kolben und Pleuel wird die höchste Dichtfähigkeit zwischen Kolben und Zylinder in den Totpunkten, d.h. in den Enden des Bewegungsbereiches des Kolbens (oberer Totpunkt = OT / unterer Totpunkt = UT) erreicht. In der Mitte des Bewegungsbereiches nimmt die Dichtfähigkeit ab, da durch ein Abweichen der Symmetrieachse des Kolbens von der Symmetrieachse des Zylinders die so genannte Kolbenneigung sich ausprägt und kein optimales Anliegen der Kolbendichtung an der Zylinderwand mehr gegeben ist.
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Während die Kolbenneigung beim Leerhub nur dann problematisch wird, wenn der Kolbenverdichter mit einem Vordruck arbeitet, ist sie beim Kompressionshub sehr nachteilig, da hier für einen möglichst effizienten Betrieb des Kompressors die maximale Dichtfähigkeit erreicht werden sollte.
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Die Verwendung einer besonders flexiblen Kolbendichtung löst das Problem nur unzureichend, da solch eine hochflexible Dichtung zwar das Absinken der Dichtfähigkeit etwas vermindert, aber die grundsätzliche Verringerung der Dichtfähigkeit im mittleren Bewegungsbereich des Kompressionhubs nicht verhindert und somit den Zeitpunkt der maximalen bzw. minimalen Dichtfähigkeit nicht verschiebt. Auch bei tiefen Temperaturen ist eine solche Kolbendichtung nicht mehr geeignet, das Absinken der Dichtfähigkeit zu verhindern, da dann die Kolbendichtung verhärtet.
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Um hier Abhilfe zu schaffen, offenbart die
DE 20 2011 052 002 U1 einen Luftkompressor in Form eines Hubkolbenverdichters, bei dem der Kolben und damit die obere Kolbenboden geneigt zur Pleuelachse und in den Totpunkten betrachtet auch zur Zylinderachse geneigt ausgebildet ist und im oberen Totpunkt (OT) mit einer komplementär geneigten Kopffläche des Zylinders zusammenwirkt. Das führt bei entsprechender Auslegung dazu, dass während des Kompressionshubs der Kolben mit im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderwandung stehenden Kolbenboden sich bewegt und damit effektiv komprimiert, während beim Leerhub der Kolben mit verstärkter Neigung zur Zylinderwandung verschoben wird und somit Umgebungsluft sehr leicht an der Kolbendichtung vorbei in den Kompressionsraum strömen kann.
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Nachteilig hierbei sind die aufwendige Herstellung von Kolben mit Pleuel und Zylinder sowie die erforderliche neigungsrichtige Montage des Kolbens. So muss beispielsweise der Zylinderboden, bzw. die Innenseite des Zylinderkopfes ebenfalls geneigt ausgebildet werden, damit eine genügende Kompression stattfindet und damit der geneigte Kolben im OT nicht an den Zylinderkopf anstößt und beschädigt wird.
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Davon ausgehend bestand die Aufgabe der Erfindung darin, einen Hubkolbenverdichter bereitzustellen, insbesondere für einen schnelllaufenden Kleinkompressor innerhalb tragbarer / transportabler Geräte, welcher trotz einfacher Herstellung ohne Kolbengelenk und der trotz Verwendung preiswerter Materialien ein hohes Verdichtungsverhältnis und ein hohes Fördervolumen auch bei einer kinematisch zwangsläufig vorhandenen Kolbenneigung erreicht und Undichtigkeiten während der Hubbewegung vermeidet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei sind der Kolben und/oder der Zylinder so ausgebildet, dass die während der jeweiligen Hubbewegung durch die relative Neigung zwischen Kolbenachse und Zylinderachse entstehenden sichelförmigen Spalte zwischen Kolbenrand und Zylinderwand abdichtbar sind.
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Ist ein Kolben in einem Zylinder um mehrere Achsen beweglich, so existiert aufgrund des Verhältnisses der Kolbenform zur Zylinderform eine Ausrichtung des Kolbens zum Zylinder, in der über die Kolbendichtung eine maximale Dichtfähigkeit zwischen Kolben und Zylinder gegeben ist. Dies ist der Fall im OT und auch im UT, wenn Kolbenachse und Zylinderache im Wesentlichen zusammenfallen. Kann diese Ausrichtung mit maximaler Dichtfähigkeit nicht über den gesamten Bewegungsbereich des Kolbens aufrechterhalten werden, so führt eine periodische Kolbenbewegung auch zu einer periodischen Änderung der Dichtfähigkeit zwischen Kolben und Zylinder. Während der Bewegung des Kolbens durch den mittleren Bewegungsbereich entstehen durch die Kolbenneigung sichelförmige Spalte zwischen Kolbenwand und Zylinderwand.
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Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass der Kolben, hier auch verstanden als gesamte Baugruppe mit Kolbendichtung, und/oder der Zylinder durch ihre geometrische oder materialtechnische Ausbildung oder durch Zubehörteile die sichelförmigen Spalte abdichten. Durch die erfinderische Ausbildung konnte eine Leistungssteigerung von bis zu 20% gegenüber Geräten aus dem Stand der Technik erreicht werden.
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Eine besonders vorteilhafte, weil in einfachster Weise herzustellende Ausbildung besteht darin, dass der Kolben bzw. Kolbenboden senkrecht zur Pleuelachse angeordnet ist
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Kolben eine von der Kreisform abweichende oval-elliptische Form aufweist, durch die die sichelförmigen Spalte mindestens teilweise kompensierbar sind, wobei der Kolben so ausgebildet ist, also etwa elastisch nachgiebig, kompressibel oder geometrisch flexibel, dass während der gesamten Hubbewegung und in den Totpunkten eine elastische Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand erfolgt, natürlich insbesondere mit Hilfe der elastisch oder kompressibel ausgebildeten ringförmigen Kolbendichtung. Damit erreicht man durch eine einfache statisch-geometrische Veränderung der Kolbenform bzw. -kontur nicht nur eine verbesserte Abdichtung während des Kompressionshubs auch im mittleren Bewegungsbereich, damit ein höheres Kompressionsverhältnis und auch ein größeres Fördervolumen, sondern auch eine sichere Abdichtung während des gesamten Leerhubs.
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Gegenüber den bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik, hier zum Beispiel gegenüber dem feststehend und geneigt zur Pleuelachse ausgebildeten Kolbenboden in der
DE 20 2011 052 002 U1 , bietet die erfindungsgemäße Lösung damit auch noch den Vorteil, dass durch die auch beim Leerhub vorhandene sichere Abdichtung der Hubkolbenverdichter auch einem Vorverdichter nachgeschaltet werden kann, also mit bereits vorverdichteter Ladeluft beaufschlagt werden kann. Das erhöht das Kompressionsverhältnis noch einmal deutlich.
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Der erfindungsgemäße Kolben ist dabei mit seiner von der Kreisform abweichenden oval-elliptischen Form natürlich so ausgebildet, dass die große Halbachse senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Welle des Kurbelrades angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Kolben eine oval-elliptische Form aufweist, bei der die Länge der kleinen Halbachse mindestens 80 % der Länge der großen Halbachse beträgt. Dies ist eine durch Versuche bestätigte Ausbildung, bei der einerseits genügend Dichtkraft während der Hubbewegung vorhanden ist und andererseits die Reibung in den Totpunkten keine schädlichen Größen annimmt.
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Bei einer solche erfindungsgemäßen Ausbildung von Kleinkompressoren, z. B. für ein tragbares Pannenhilfesystem besteht eine solche Ausbildung vorteilhafter Weise darin, dass der Kolben eine oval-elliptische Form aufweist, deren kleine Halbachse ( 31,7 / 2 ) mm und deren große Halbachse eine Länge von ( 32,1 / 2 ) mm aufweisen. Überraschenderweise verbessern sich bereits durch eine so geringe Elliptizität des Kolbens mit einem Halbachsenunterschied von nur 0,2 mm das Kompressionsverhältnis und das Fördervolumen erheblich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Kolben eine Kreisform und die ringförmige Kolbendichtung eine variierende Dicke aufweist, bei der das Dickenmaximum so angeordnet und ausgebildet ist, dass die sichelförmigen Spalte kompensierbar sind, wobei die Kolbendichtung so ausgebildet ist, dass während des Kompressionshubs und in den Totpunkten eine elastische Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand erfolgt. Damit braucht der Kolben selbst nicht verändert zu werden, was den Einsatz normaler Standardkolben erlaubt, sondern nur die Dicke der ringförmigen Kolbendichtung, um einfache statisch-geometrische Veränderung der wirksam abgedichteten Fläche des Kolbens zu erreichen, die Kompressionsverhältnis und Fördervolumen verbessert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Zylinder in seinem mittleren Kompressionsbereich eine von der Kreisform abweichende oval-elliptische Form aufweist, durch die die sichelförmigen Spalte mindestens teilweise kompensierbar sind, wobei die ringförmige Kolbendichtung so ausgebildet ist, dass während der gesamten Hubbewegung und in den Totpunkten eine elastische Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand erfolgt. Der hierzu erforderliche zusätzliche Bearbeitungsaufwand des Zylinders ist insbesondere bei gegossenen Zylindern vertretbar, wenn dafür die üblicherweise aus Kunststoff ausgebildeten Kolben als billige Standardteile verwendet werden können und der Zylinder ggf. wiederverwendbar ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Kompensation der sichelförmigen Spalte am Kolben oder/oder an der Dichtung durch Stellelemente am Kolben erfolgt, insbesondere durch federnde Elemente oder durch Elemente, die durch ein Druckmedium beaufschlagt werden. Im Gegensatz zur Verwendung einer hochflexiblen Kolbendichtung erfolgt hier die Anpassung dynamisch und gerichtet je nach Ausbildung der sichelförmigen Spalte zwischen Zylinder- und Kolbenkontur durch konstruktive Maßnahmen oder zusätzlich Konstruktionselemente. Dieses Vorgehen ermöglicht u.a. die Erzielung der maximalen Dichtfähigkeit an mehr als nur einem Zeitpunkt der periodischen Kolbenbewegung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die federnden Elemente im Kolbenkörper angeordnet sind, insbesondere mittels federnder Umfangsstege, die über einen Teilumfang des Kolbens durch zur Kolbenmitte hin konkav angeordnete nierenförmige Ausnehmungen ausgebildet sind
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Kompensation der sichelförmigen Spalte am Kolben oder/oder an der Dichtung durch eingesetzte Formelemente (Zwischenelemente) erfolgt. Hier liegt der Vorteil darin, dass nur in den Bereichen des Kolbenumfangs, in denen die Spalte entstehen, zusätzliche Elemente eingebracht werden, die z. B. die Dichtung entsprechend spreizen oder federnd anpressen.
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Da mit der Erfindung ein Hubkolbenverdichter entsteht, der bereits bei kleinen Baugrößen sehr hohe Druck- und Förderleistungen bei einfachster Bauweise aufweist, ist ein solcher Hubkolbenverdichter, wie bereits gesagt, besonders geeignet ist für eine tragbares Pannenhilfesystems zum Abdichten und Aufpumpen von aufblasbaren Gegenständen, insbesondere von Reifen, wobei das Pannenhilfesystem einen Behälter für ein in den aufblasbaren Gegenstand einfüllbares selbsttätiges Dichtmittel, eine Ventil- und Verteilereinheit für Dichtmittel und Druckgas und Verbindungsmittel zwischen Ventil- und Verteilereinheit und aufblasbarem Gegenstand, Mittel zur Energiezufuhr sowie Schalt-, und/oder Steuereinrichtungen für den Betrieb des Systems beinhaltet und mit einer Druckgasquelle in Form eines Kompressors ausgerüstet ist.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Neuerung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichters
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2 eine Fertigungszeichnung eines Kolbens für einen erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichter.
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Die 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze einen Hubkolbenverdichter 1 eines tragbaren Pannenhilfesystems zum Abdichten und Aufpumpen von Reifen mit einem über einen Schubkurbeltrieb angetriebenen und einem in einem Zylinder 2 hin- und her bewegbaren und gegenüber der Zylinderwand abgedichteten Kolben 3, wobei der Schubkurbeltrieb ein auf einer Kurbelwelle angeordnetes Kurbelrad 4 mit einem exzentrischen Kurbelzapfen 5 aufweist sowie ein zwischen dem Kolben 3 und dem Kurbelzapfen 5 angeordnetes Pleuel 6, wobei der Kolben 3 bzw. Kolbenboden 7 feststehend senkrecht zur die Pleuelachse 8 angeordnet ist, so dass Pleuelachse 8 und Kolbenachse 9 übereinstimmen. Der rechte Teil der 1 zeigt den Hubkolbenverdichter 1 mit seinem Kolben 3 im OT, der linke Teil den Hubkolbenverdichter 1 mit seinem Kolben 3 während des Kompressionshubs.
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Bei der hier vorhandenen starren Verbindung zwischen Kolben und Pleuel ohne Kolbengelenk wird die höchste Dichtfähigkeit zwischen Kolben und Zylinder im OT und UT erreicht, wie auf der rechten Seite der 1 im OT gezeigt.
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In der Mitte des Bewegungsbereiches nimmt normalerweise die Dichtfähigkeit ab, da durch ein Abweichen der Symmetrieachse des Kolbens, d.h. in diesem Fall Pleuel- und Kolbenachse 8, 9 von der Symmetrieachse des Zylinders 10 die so genannte Kolbenneigung sich ausprägt und kein optimales Anliegen der Kolbendichtung an der Zylinderwand mehr gegeben ist.
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Bei dem in der 1 gezeigten erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichter 1 ist das nicht der Fall, da der Kolben, hier verstanden als gesamte Baugruppe mit Kolbendichtung, so ausgebildet ist, dass die während des auf der linken Seite der 1 dargestellten Kompressionshubs durch die relative Neigung zwischen Kolbenachse und Zylinderachse entstehenden sichelförmigen Spalte 11, 12 zwischen Kolbenrand und Zylinderwand abdichtbar sind, nämlich dadurch, dass der Kolben 3 und somit der Kolbenboden 7 eine von der Kreisform abweichende oval-elliptische Form aufweist, durch die die sichelförmigen Spalte mindestens teilweise kompensierbar sind. Die Projektion 7a des schrägstehenden Kolbenbodens 7 im linken unteren Teil der 1 zeigt dies durch die Darstellung der Abweichungen 11a und 12a des Kolbenbodens 7 von der idealen Kreisform 13. Die große Halbachse 14 des oval-elliptischen Kolbenbodens weist eine Länge von ( 32,1 / 2 ) mm und die kleine Halbachse 15 eine Länge von ( 31,7 / 2 ) mm auf.
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Die hier nicht näher dargestellte ringförmige Kolbendichtung ist dabei so kompressibel und geometrisch flexibel ausgebildet, dass während der gesamten Hubbewegung und in den Totpunkten eine sichere elastische Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand erfolgt. Natürlich wird die Dichtung in OT und UT dann stärker komprimiert und verformt als im mittleren Kompressionsbereich.
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2 zeigt hierzu eine Fertigungszeichnung eines Kolbens 3 für einen erfindungsgemäßen Hubkolbenverdichter in einer Schnittansicht und in einer Draufsicht mit einer von der Kreisform abweichenden oval-elliptische Form, wobei der Durchmesser X dem Doppelten der großen Halbachse 14 und der Durchmesser Y dem Doppelten der kleinen Halbachse 15 entspricht, hier X = 32,1mm und Y = 31,7mm.
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Der Kolben ist dabei mit nierenförmigen Ausnehmungen 16 und 17 versehen, die dem Kolben im Bereich der großen Halbachsen eine genügende Flexibilität durch die als federnde Elemente dienenden Umfangstege 18 und 19 verleihen, so dass der Kolben sich in OT und UT an die ideale Kreisform annähern kann.
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Die Kompensation der sichelförmigen Spalte erfolgt hier also durch federnde Elemente am Kolben, wobei die federnden Elemente im Kolbenkörper ausgebildet sind, hier mittels federnder Umfangsstege 18, 19, die durch zur Kolbenmitte hin konkav angeordnete nierenförmige Ausnehmungen 16, 17 ausgebildet werden, wobei Stege und Ausnehmungen im Bereich der großen Halbachsen über einen Teilumfang des Kolbens 3 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubkolbenverdichter
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolben
- 4
- Kurbelrad
- 5
- Kurbelzapfen
- 6
- Pleuel
- 7
- Kolbenboden
- 7a
- Projektion des schrägstehenden Kolbenbodens
- 8
- Pleuelachse
- 9
- Kolbenachse
- 10
- Symmetrieachse des Zylinders
- 11
- Sichelförmiger Spalt
- 11a
- Abweichung von der Kreisform
- 12
- Sichelförmiger Spalt
- 12a
- Abweichung von der Kreisform
- 13
- Ideale Kreisform
- 14
- Große Halbachse
- 15
- Klein Halbachse
- 16
- Nierenförmige Ausnehmung
- 17
- Nierenförmige Ausnehmung
- 18
- Umfangssteg
- 19
- Umfangssteg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011052002 U1 [0007, 0016]
