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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Kompressor, umfassend mindestens einen Kühlmittel führenden Bereich sowie mindestens zwei Luft führende Bereiche, wobei der mindestens eine Kühlmittel führende Bereich zumindest teilweise um die mindestens zwei Luft führenden Bereiche angeordnet ist, wobei ferner die mindestens zwei Luft führenden Bereiche mindestens einen luftzuführenden Kanal zur Einspeisung der zu komprimierenden Luft in den Kompressor und mindestens einen luftabführenden Kanal zum Auslass einer vom Kompressor komprimierten Druckluft aufweisen.
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Moderne Nutzfahrzeuge, die im Schienen- oder Straßenverkehr eingesetzt werden, werden mit vielen Druckluft verbrauchenden Teilsystemen ausgerüstet. Zu diesen Teilsystemen gehören beispielsweise eine mit Druckluft betriebene Betriebsbremse und eine Luftfederung. Die Versorgung dieser Druckluftverbraucher mit Druckluft wird mit Hilfe einer Druckluftversorgungseinrichtung realisiert, die einen Kompressor umfasst. Umgebungsluft wird von dem Kompressor angesaugt, komprimiert und vor der Verwendung in den Verbrauchern von Fremdbestandteilen, wie Öl und Wasser, in weiteren Bestandteilen der Druckluftversorgungseinrichtung gereinigt.
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Moderne Kompressoren stellen infolge der stetig wachsenden Leistungsparameter wie Effizienz und definierten Druckluftaustrittstemperaturen hohe Anforderungen an Bauteile wie Ventilplatte, Kühleinheit und Zylinderkopf. Diese Bauteile werden durch die thermischen und mechanischen Lasten aus der Kompression stark beansprucht. Zur Sicherstellung der definierten Anforderungen an die Druckluftaustrittstemperatur an den Anschlüssen des Kompressors ist eine effektive Kühlung durch ein Kühlmittel notwendig. Andererseits erfordert der Kompressor aber auch eine steife Konstruktion mit entsprechenden Wandstärken. Die Dimensionierung der Wände und die Effizienz der Kühlung stehen aufgrund der Wärmeleitwege im Widerspruch zueinander. Hinzu kommen Restriktionen beim Gießen der Zylinderköpfe, die die Gestaltung enger Kühlquerschnitte durch entsprechend filigrane Gießkerne erschweren.
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Der gegenwärtige Stand der Technik zur Erfüllung der definierten Anforderungen, insbesondere zur Senkung der Luftaustrittstemperatur der komprimierten Luft auf der Druckseite, zeichnet sich durch die Integration von Kühlrippen und/oder einer Verlängerung der Luft führenden Bereiche aus. Beide Vorgehensweisen zielen auf eine Vergrößerung der Wärmeeintragsflächen ab.
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Bei der Komprimierung der Luft in dem Kompressor wird die Luft stark erwärmt. Diese Erwärmung wächst mit steigendem Förderdruck und steigender Umdrehungszahl des Kompressors an. Dies ist hinsichtlich der weiteren Aufbereitung der Druckluft, insbesondere der Lufttrocknung, nachteilig. Üblicherweise wird der Luft die Luftfeuchtigkeit in einer dem Kompressor nachgeschalteten Luftfilterpatrone entzogen. Diese Luftfilterpatrone enthält ein Trocknungsmittel, das nur bis maximal 80°C der Luft Feuchtigkeit entziehen kann. Daher wird normalerweise eine geringere maximal zulässige Temperatur von 60°C angegeben, um eine effektive Trocknung zu ermöglichen. Bei der Komprimierung im Kompressor erreicht die komprimierte Luft an der Austrittsöffnung des Kolbenraumes jedoch Temperaturen von bis zu 320°C. Am Ausgang des Kompressors selbst dürfen es maximal noch 220°C sein. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Luft zwischen dem Kompressor und der Luftfilterpatrone abkühlen zu müssen. Zu diesem Zweck wird bei dem Stand der Technik eine Druckleitung mit mehreren Metern Länge verwendet, wobei sich die erhitzte Druckluft während des Durchströmens der Druckleitung vom Kompressor zur Luftfilterpatrone ohne weitere Kühlmaßnahmen abkühlen kann. Nachteilig hierbei ist der Druckverlust durch die lange Leitung und der bauliche Aufwand, den die Druckleitung selbst verursacht.
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Um die lange Druckleitung zwischen Kompressor und Filterpatrone verkürzen zu können, ist es notwendig, die Druckluft durch eine aktive Kühlung zu kühlen. Zu diesem Zweck wird in dem Zylinderkopf des Kompressors oberhalb der Ventilplatte eine so genannte Supercooling-Platte eingefügt, die von einem Kühlmittel durchströmt wird und als Wärmetauscher fungiert. Durch sie ist es möglich, die Austrittstemperatur der Druckluft auf 140 bis 150°C am Kompressorausgang zu senken und die anschließende Druckleitung um 5 bis 30% zu verkürzen. Ein Beispiel für eine solche Supercooling-Platte ist in der
DE 195 35 079 C2 zu finden.
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Nachteilig hierbei ist insbesondere die aufwendige Bauweise, die sich durch die Integration der Supercooling-Platte als separates Bauteil in den Zylinderkopf des Kompressors ergibt, da hierdurch zusätzliche Abdichtungen notwendig werden.
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Ferner geht aus der
DE 10 2008 018 467 A1 eine Ventilplatte mit einem Kühlmittelkanal für einen Kompressor hervor. Der Kühlmittelkanal verläuft mäanderförmig von einem Kolbenraum des Kompressors aus gesehen zwischen dem Kolbenraum und einem in der Ventilplatte angeordneten Luftauslassventil. Diese Ventilplatte erbringt ohne eine Supercooling-Platte eine im Vergleich mit einer Kombination einer herkömmlichen Ventilplatte und einer Supercooling-Platte zumindest gleiche Kühlleistung.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für einen Kompressor zu schaffen, der eine verbesserte Kühlleistung der komprimierten Luft aufweist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.
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Erfindungsgemäß umfasst der mindestens eine luftabführende Kanal eine offenporige, metallische Zellstruktur. Die offenporige, metallische Zellstruktur grenzt zumindest teilweise an den mindestens einen Kühlmittel führenden Bereich an. Mit anderen Worten ist die offenporige, metallische Zellstruktur außerhalb des mindestens einen Kühlmittel führenden Bereichs an einer Wandung des mindestens einen Kühlmittel führenden Bereichs angeordnet.
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Die offenporige, metallische Zellstruktur bietet eine sehr gute Wärmeableitung, welche durch eine am Wärmeübergang beteiligte Oberfläche auf engstem Raum realisiert wird. Eine sehr effiziente Kühlung ergibt sich insbesondere durch die Vergrößerung der Wärmeeintragsflächen der Luft führenden Bereiche des Zylinderkopfs. Weiterhin ergibt sich durch die offenporige, metallische Zellstruktur zusätzlich eine Stützstruktur, die die mechanische Festigkeit des Zylinderkopfs entsprechend verbessert, wodurch eine geringe Wandstärke einer Wandung des Zylinderkopfs bei kurzen Wärmeleitwegen realisiert wird. Durch die effiziente Kühlung der Druckluft werden auf der Druckseite die Oberflächentemperaturen abgesenkt und dadurch die Neigung zur Verkohlung reduziert. Ferner stellt die offenporige, metallische Zellstruktur gleichermaßen die Grundlage katalytischer Reaktionen zur Optimierung der Qualität der komprimierten Luft dar. Auch auf das akustische Verhalten hat die metallische Zellstruktur einen dämpfenden Einfluss.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine luftabführende Kanal zumindest teilweise als offenporige, metallische Zellstruktur ausgebildet. Mit anderen Worten kann der mindestens eine luftabführende Kanal teilweise aber auch vollständig als offenporige, metallische Zellstruktur ausgebildet sein. Durch die offenen Poren wird der Durchfluss der Druckluft ermöglicht. Ein Abmaß der offenporigen, metallischen Zellstruktur sollte je nach benötigter Durchflussrate und Kühlrate der Druckluft eingestellt werden.
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Die Lage, Form, Ausrichtung und Größe der Zellen der offenporigen, metallischen Zellstruktur ist beliebig und kann sowohl regelmäßig als auch zufallsbasiert bzw. unregelmäßig sein. Beispielsweise ist es denkbar die Zellen der offenporigen, metallischen Zellstruktur kugelförmig, zylinderförmig oder wabenförmig auszubilden.
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Des Weiteren bevorzugt ist, dass die offenporige, metallische Zellstruktur durch Verwendung von Einlegkörpern hergestellt ist. Vorteilhafterweise wird die offenporige, metallische Zellstruktur als vorgeformtes Halbzeug in eine Gießform eingelegt und zur Bildung des Zylinderkopfes umgossen. Es kann beispielsweise ein Metallschaum mit verschlossenen Poren verwendet werden, damit die umgießende Metallschmelze nicht eindringen kann. Es ist auch möglich, einen Metallschaum mit unverschlossenen Poren einzusetzen, wobei sich dann eine gewisse Infiltration der Zellstruktur durch das Zylinderkopfmaterial ergibt.
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Vorzugsweise wird eine Negativform der offenporigen, metallischen Zellstruktur in die Gießform eingelegt, um diese beim Gießvorgang zur Bildung der offenporigen Zellstruktur durchgängig zu infiltrieren und gleichzeitig die umgebenden Wandungen des Zylinderkopfs zu gießen. Anschließend sind die Poren freizulegen.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die offenporige, metallische Zellstruktur durch mechanische Fertigung hergestellt ist. Mit anderen Worten kann die offenporige, metallische Zellstruktur insbesondere durch spanabhebende Verfahren hergestellt sein.
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Es wird vorgeschlagen, dass die offenporige, metallische Zellstruktur durch ein Lost-Foam-Verfahren hergestellt ist. Bei dem Lost-Foam-Verfahren werden später entfernbare, sich kontaktierende Zellenkörper in eine Form eingelegt, eingebettet und infiltriert. Danach werden die Zellenkörper beispielsweise durch Vergasen entfernt.
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Alternativ kann bei der Herstellung durch das Lost-Foam-Verfahren, sowohl die Wandungen des Zylinderkopfes als auch die zellulare Struktur im Lost-Foam-Verfahren hergestellt werden. Hierbei wird die zellulare Struktur beim Gießen an der Fließfront der Metallschmelze vergast. Die verbleibenden Zellzwischenräume, die vor dem Gießen mit Sand gefüllt wurden, werden freigelegt und bilden die offenporige Struktur.
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Vorzugsweise ist die offenporige, metallische Zellstruktur durch Schäumen hergestellt. Dazu eignen sich insbesondere Aluminiumlegierungen. Ferner weist Aluminium im Vergleich zu Stahl eine bessere Wärmeleitfähigkeit und eine geringere Dichte auf. Somit kann durch die Verwendung der Aluminiumlegierung sowohl die Kühlrate verbessert als auch das Gewicht des Zylinderkopfes gesenkt werden.
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Verfahrenstechnisch wird vorgeschlagen, dass der Zylinderkopf als Dünnwandguss gegossen wird, wobei anschließend ein schäumfähiger, metallischer Werkstoff eingegossen wird, der zu der offenporigen, metallischen Zellstruktur aufgeschäumt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiden Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kompressors mit einem Zylinderkopf und einem aufgeschnittenen Kolbengehäuse, und
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2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes gemäß 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Gemäß 1 umfasst ein Kompressor 2 einen Zylinderkopf 1 und ein Kolbengehäuse 8, wobei zwischen dem Kolbengehäuse 8 und dem Zylinderkopf 1 eine Ventilplatte 9 angeordnet ist. Angetrieben wird der Kompressor 2 über eine Welle 10. Das Kolbengehäuse 8 ist in der Nähe der Ventilplatte 9 aufgeschnitten, so dass ein Kolbenraum 11 sichtbar ist. Im Inneren des Kolbenraumes 11 bewegt sich ein – hier nicht dargestellter – Kolben axial auf und nieder.
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Nach 2 weist der Zylinderkopf 1 vier Kühlmittel führende Bereiche 3a–3d sowie zwei Luft führende Bereiche 4a, 4b auf. Die vier Kühlmittel führenden Bereiche 3a–3d sind im Wesentlichen um die zwei Luft führenden Bereiche 4a, 4b angeordnet, wobei die vier Kühlmittel führenden Bereiche 3a–3d unmittelbar an den Luft führenden Bereich 4a angrenzen, um die komprimierte Luft herunterzukühlen. Auch die Ventilplatte 9 ist mäanderförmig von – hier nicht dargestellten – kühlmittelführenden Kanälen durchzogen.
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Die beiden Luft führenden Bereiche 4a, 4b umfassen einen luftzuführenden Kanal 5 zur Einspeisung der zu komprimierenden Luft in den Kompressor 2 und einen luftabführenden Kanal 6 zum Auslass einer vom Kompressor 2 komprimierten Druckluft. Die zu komprimierende Luft wird von – hier nicht dargestellten – Anschlüssen am Zylinderkopf 1 dem Kolbenraum 11 zugeführt. Nach der Kompression der Luft im Kolbenraum 11 entweicht die Druckluft über ein – hier nicht dargestelltes – Auslassventil und wird über den luftabführenden Kanal 6 zu den Anschlüssen am Zylinderkopf 1 geführt.
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Der luftabführende Kanal 6 umfasst eine offenporige, metallische Zellstruktur 7, die in sechs Teilabschnitte 7a–7f aufgeteilt ist. Die offenporige, metallische Zellstruktur bietet eine sehr gute Wärmeableitung, welche durch eine am Wärmeübergang beteiligte Oberfläche auf engstem Raum realisiert wird. Ferner ergibt sich durch die offenporige, metallische Zellstruktur 7 zusätzlich eine Stützstruktur, die die mechanische Festigkeit des Zylinderkopfs 1 verbessert, wodurch eine geringe Wandstärke einer Wandung des Zylinderkopfs bei kurzen Wärmeleitwegen realisiert wird. Zur Herstellung des Zylinderkopfs 1 mit der offenporigen, metallischen Zellstruktur 7 wird der Zylinderkopf 1 als Dünnwandguss gegossen, wobei anschließend ein schäumfähiger, metallischer Werkstoff eingegossen wird, der zu der offenporigen, metallischen Zellstruktur 7 aufgeschäumt wird.
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Darüber hinaus ist der Zylinderkopf 1 für einen Kompressor 2 mit ESS (Energie Saving System) geeignet. Dazu weist der Zylinderkopf 1 zwei Öffnungen 13a, 13b für einen – hier nicht dargestellten – ESS-Kolben sowie ein Totraumvolumen 14 und eine Bohrung 15 für eine ESS Ansteuerung auf. Ferner weist der Zylinderkopf 1 acht Öffnungen 12a–12h für – hier nicht dargestellte – Zylinderkopfschrauben auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Kompressor
- 3a–3d
- Kühlmittel führender Bereich
- 4a, 4b
- Luft führender Bereich
- 5
- luftzuführender Kanal
- 6
- luftabführender Kanal
- 7a–7f
- Zellstruktur
- 8
- Kolbengehäuse
- 9
- Ventilplatte
- 10
- Welle
- 11
- Kolbenraum
- 12a–12h
- Öffnung
- 13a, 13b
- Öffnung
- 14
- Totraumvolumen
- 15
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19535079 C2 [0006]
- DE 102008018467 A1 [0008]
