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Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor mit einer mehrere luftgekühlte Zylinder umfassenden Verdichtereinheit, deren in einem Kurbelgehäuse untergebrachte Kurbelwelle von einer stirnseitig hieran angeflanschten Motoreinheit angetrieben wird, wobei an der gegenüberliegenden Stirnseite der Verdichtereinheit eine von der Kurbelwelle angetriebene und hieran angebrachte Kühlereinheit angeordnet ist, deren integriertes Axiallüfterrad die erzeugte Kühlluft im Wesentlichen außen entlang der Verdichtereinheit bläst. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Schienenfahrzeug mit einem Druckluftsystem, insbesondere ein pneumatisches Bremssystem, welches einen derartigen mehrstufigen Kolbenkompressor zur Drucklufterzeugung umfasst.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Schienenfahrzeugbau. Steigende Umweltanforderungen bezüglich Schadstoffemission und Lärmschutz führen vermehrt zum Einsatz von ölfreien Kolbenkompressoren in schallgekapselten Ausführungen. Kompressoren für Schienenfahrzeuge, welche in Wohngebieten fahren oder dort abgestellt und in Betriebsbereitschaft gehalten werden, erfordern einen immer höheren Aufwand bei der Schalloptimierung der Aggregate. Bei Kompressoren in Schallkapseln stellt sich andererseits das Problem einer hinreichenden Kühlung der Verdichtereinheit, weil Schalldämmmaterialien in der Regel auch gute Wärmdämmeigenschaften besitzen. Kühlprobleme treten aber nicht allein in derartigen Schallkapseln auf, sondern auch bei Einbauten in Maschinenräumen oder bei Außeneinbauten in der Nähe von Wärmequellen, wie beispielsweise Gerätelüftern.
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Die
DE 10 2010 024 346 A1 offenbart eine einstufige Verdichtereinheit, bei welcher die Kühlluft durch einen Radiallüfter erzeugt wird, der an der Antriebsseite der Verdichtereinheit zwischen dieser und der Motoreinheit befestigt ist. Bei dieser technischen Lösung wird die Kühlluft in Kompressorquerrichtung bewegt und gleichzeitig über alle Zylinder verteilt. Dies erfordert einen entsprechenden Bauteilaufwand für die recht verschachtelte Kühlluftführung.
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Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen darüber hinaus auch einoder mehrstufige Kolbenkompressoren hervor, bei denen die Kühlluft von einem Axiallüfter ausgehend direkt auf die Zylinder der Verdichtereinheit geblasen wird. Um zu verhindern, dass die Kühlluft radial abströmt, wird eine Zwangsführung des axial gerichteten Luftstroms entlang der Zylinder erzeugt. Dennoch geht ein großer Teil der Kühlluft des Axiallüfters durch Verwirbelungen aufgrund von Abprallungen an den Zylindern verloren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine äußere Kühlluftführung insbesondere für einen mehrstufigen Kolbenkompressor zu schaffen, welche mit geringem bauteiltechnischen Aufwand eine effiziente Kühlung der Zylinder der Verdichtereinheit ermöglicht.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur äußeren Kühlluftführung im Bereich der Verdichtereinheit mindestens ein bogenförmig zumindest teilweise radial um das Kurbelgehäuse herum verlaufendes Luftleitgehäuse lufteingangsseitig an der Kühlereinheit und luftauslassseitig am Kurbelgehäuse der Verdichtereinheit derart angebracht ist, dass der vom Axiallüfterrad erzeugte axial gerichtete Luftstrom zumindest teilweise vom Luftleitgehäuse aufgenommen und in Radialrichtung zumindest teilweise um das Kurbelgehäuse herum geleitet wird, um an mindestens einen luftauslassseitig des Luftleitgehäuses angeordneten Zylinder der Verdichtereinheit zu gelangen.
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Mit anderen Worten nimmt die erfindungsgemäße äußere Kühlluftführung die vom Axiallüfter erzeugte Kühlluft auf und lenkt diese um vorzugsweise circa 90° von der Axialrichtung in eine Radialrichtung um das Kurbelgehäuse herum, so dass diese schließlich an einen Zylinder der Verdichtereinheit ausströmt. Damit schließt die erfindungsgemäße äußere Kühlluftführung direkt an der Kühlereinheit an und leitet den durch das Axiallüfterrad erzeugten Luftstrom weiter. Durch die Krümmung des bogenförmigen Luftleitgehäuses wird der Luftstrom in eine laminare Strömung zur effizienten Kühlung eines mit Kühlrippen versehenden luftgekühlten Zylinders der Verdichtereinheit umgelenkt. Vorzugsweise ist der luftauslassseitig des Luftleitgehäuses angeordnete Zylinder einer Hochdruckstufe der vorzugsweise mehrstufigen Verdichtereinheit zugeordnet. Denn die Hochdruckstufe einer mehrstufigen Verdichtereinheit ist in der Regel thermisch höher belastet als die vorgeschaltete Niederdruckstufe. Außerdem ist die Hochdruckstufe aufgrund des höheren Drucks temperaturempfindlicher in Bezug auf Bauteilverschleiß. Daher fällt einer effizienten Kühlung der Hochdruckstufe eine besondere Bedeutung zu, welcher mit der erfindungsgemäßen Lösung Rechnung getragen wird. Eine unzureichende Kühlung kann dagegen zu einem erhöhten Bauteilverschleiß und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer oder zu einem vorzeitigen Kompressorausfall führen.
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Die verbesserte Kühlung ermöglicht zudem den Einbau des erfindungsgemäßen Kolbenkompressors in sogenannte Schallkapseln, welche eine kastenförmige Aufnahme für den Kolbenkompressor und dessen Anbauteile bietet und mit einem Schalldämmmaterial ausgekleidet ist. Hierdurch wird die Schallabstrahlung des Kolbenkompressors reduziert und gleichzeitig werden dank der erfindungsgemäßen äußeren Kühlluftführung die Temperaturen an der Verdichtereinheit sowie die Gasaustrittstemperaturen gegenüber einer ungekapselten Anordnung nicht oder nur geringfügig erhöht oder sogar gesenkt. Die Erfindung ist daneben ebenso geeignet für den Einbau an heißen Stellen in einem Fahrzeug, bei denen die Zufuhr von kalter Kühlluft mangelhaft ist oder allgemein für den Betrieb in heißen Klimazonen der Erde.
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Vorzugsweise kann das Luftleitgehäuse in Radialrichtung über einen Umleitwinkel von 90° bis 360° um das Kurbelgehäuse der Verdichtereinheit herum verlaufen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verläuft das Luftleitgehäuse in etwa 90° um das Kurbelgehäuse herum. Hierbei ist die Verdichtereinheit nach der Bauart eines Boxers ausgebildet und es werden zwei einander gegenüberliegend am Kurbelgehäuse angeordnete Luftleitbleche vorgesehen, denen jeweils ein Zylinder zur Kühlung zugeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Bauart umfasst die Verdichtereinheit insgesamt drei Zylinder, von denen zwei Zylinder einer Niederdruckstufe und der andere verbleibende Zylinder einer Hochdruckstufe zugeordnet sind. Der Zylinder der Hochdruckstufe ist vorzugsweise in Axialrichtung gesehen der Kühlereinheit benachbart angeordnet.
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Die Kühlluftführung kann jedoch auch den benachbarten Zylinder der Niederdruckstufe mit umfassen und diesen ebenfalls mitkühlen. Das Luftleitgehäuse ist so ausgeführt, dass der Kühlluftstrom die komplette Rippenläge des Zylinders umströmt. Besonders bedeutsam ist hierbei die Umströmung der äußeren Kühlrippen, also der dem Zylinderkopf naheliegenden Kühlrippen. Die Kühlluftführung kann natürlich auch für die Kühlung von Zylindern einstufiger Kompressoren verwendet werden.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass wandinnenseitig des Luftleitgehäuses mindestens eine sich in Richtung Kurbelgehäuse radial erstreckende Finne zur Kühlluftumlenkung in Radialrichtung angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei einander beabstandet gegenüberliegende Finnen im Bereich von dem zu kühlenden Zylinder am Luftleitgehäuse angeordnet. Das jeweils distale Ende der Finnen kann dabei am Kurbelgehäuse zur Anlage kommen und somit den Abstand zwischen Kurbelgehäuse und Luftleitgehäuse definieren. Die vorzugsweise in Strömungsrichtung gebogenen Finnen liegen gemäß der bevorzugten Ausführungsform vertikal im Bereich der oberen und unteren Begrenzung des zu kühlenden Zylinders. Die Finnen nehmen die nach schräg unten gerichtete Kühlluftströmung auf und leiten diese horizontal zum Zylinder um. Zudem erzeugen die Finnen einen Staudruck vor dem zu kühlenden Zylinder, der die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Kühlrippen des Zylinders effizienzsteigernd erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Luftleitgehäuse lufteinlassseitig derart gestaltet, dass dieses über einen radialen Bereich von 120° bis 220°, vorzugsweise 180°, die Kühlluft von der Kühlereinheit abgreift. Werden – wie vorstehend beschrieben – im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform zwei einander gegenüberliegende Luftleitgehäuse am Kurbelgehäuse angeordnet, so erfolgt vorzugsweise ein Abgriff über einen radialen Bereich von 180°. In diesem Falle können Berührschutzgittermittel zur Abdeckung des Lüfterrades entfallen, da dieses von den beiden Luftleitgehäusen vollständig umschlossen wird. Anderenfalls sind entsprechende Berührschutzgittermittel in den Bereichen der Kühlereinheit anzubringen, welche nicht vom Luftleitgehäuse berührgesichert geschützt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Luftleitgehäuses ist dieses als eine Blechkonstruktion aus Metall ausgeführt. Hierbei kann die bogenförmige Gehäuseform durch Abrunden oder Abkanten erzeugt werden. Das Luftleitgehäuse ist an den Stellen auszusparen, an denen elastische Lagerungselemente zur Befestigung des Kolbenkompressors erforderlich sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Luftleitgehäuse mehrteilig ausgeführt, wobei einzelne Gehäuseteile durch eine Steckverbindung oder durch eine Verschraubung lösbar miteinander verbunden sind. Hierdurch wird die Montierbarkeit, Zugänglichkeit und Wartung zum Zwecke der Kühlrippenreinigung erleichtert.
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Es ist jedoch auch denkbar, das Luftleitgehäuse einstückig auszubilden, vorzugsweise aus einem spritzgegossenen Kunststoff. Hierbei lassen sich die der Luftleitung dienenden Finnen in fertigungstechnisch einfacher Weise anformen. Das Luftleitgehäuse kann alternativ hierzu zumindest teilweise auch aus einem Leichtmetall oder dergleichen gegossen werden.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines mehrstufigen Kolbenkompressors mit äußerer Kühlluftführung,
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2 eine perspektivische Ansicht der Verdichtereinheit mit Kühlereinheit des Kolbenkompressors,
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3 eine perspektivische Ansicht der Verdichtereinheit mit Kühlereinheit des Kolbenkompressors in einer anderen Blickrichtung als 2,
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4 eine perspektivische Ansicht der Verdichtereinheit mit Kühlereinheit des Kolbenkompressors in einer anderen Blickrichtung als 3,
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5 eine perspektivische Ansicht eines Luftleitgehäuses in einer ersten Blickrichtung,
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6 eine perspektivische Ansicht eines Luftleitgehäuses in einer zweiten Blickrichtung, und
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7 eine perspektivische Ansicht eines Luftleitgehäuses gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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Gemäß 1 besteht der mehrstufige Kolbenkompressor im Wesentlichen aus einer Verdichtereinheit 1, an dessen ersten Stirnseite 2 eine Motoreinheit 3 in Form eines Elektromotors angeflanscht ist, wogegen an der gegenüberliegenden Stirnseite 4 eine Kühlereinheit 5 angebracht. Die Kühlereinheit 5 dient zur Kühlung des durch Kompression innerhalb der Verdichtereinheit 1 erhitzten Druckluftstroms mittels eines – hier nicht erkennbaren – Axiallüfterrades zur Erzeugung der Kühlluft, die außen entlang der Verdichtereinheit 1 strömt. Zur äußeren Kühlluftführung im Bereich der Verdichtereinheit 1 ist ein bogenförmig teilweise radial um das Kurbelgehäuse 6 herum verlaufendes Luftleitgehäuse 7 vorgesehen.
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Gemäß 2 treibt eine im Kurbelgehäuse 6 drehbar gelagerte Kurbelwelle 8 (welche hier bei demontierter Motoreinheit erkennbar ist) ein schematisch durch verdeckte Körperlinien dargestelltes Axiallüfterrad 9 der Kühlereinheit 5 an. Das Axiallüfterrad 9 erzeugt einen Luftstrom entlang der Verdichtereinheit 1, welcher über einen Winkel von circa 180° durch das Luftleitgehäuse 7 aufgenommen wird, in Radialrichtung teilweise um das Kurbelgehäuse 6 herum geleitet wird und luftauslassseitig zu einem Zylinder 10a einer Hochdruckstufe der Verdichtereinheit 1 geführt wird, um zumindest diesen Zylinder 10a zu kühlen. Dem Zylinder 10a der Hochdruckstufe der Verdichtereinheit 1 sind zwei Zylinder 10b sowie 10c einer vorgeschalteten Niederdruckstufe zugeordnet. Insgesamt bilden die luftgekühlten Zylinder 10a bis 10c eine Boxeranordnung.
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Nach 3 ist das Luftleitgehäuse 7 lufteingangsseitig über einen radialen Bereich von circa 180° an der Kühlereinheit 5 per Schrauben 11 (exemplarisch) befestigt. Das Luftleitgehäuse 7 ist darüber hinaus seitens des Kurbelgehäuses 6 über weitere Schrauben 12 (exemplarisch) befestigt. Zum Zwecke einer einfachen Demontierbarkeit ist das Luftleitgehäuse 7 mehrteilig aufgebaut und besteht insoweit aus einem ersten Gehäuseteil 7a und einem zweiten Gehäuseteil 7b, die hier über diverse Verschraubungen miteinander lösbar verbunden sind. Das Luftleitgehäuse 7 besteht aus gebogenen sowie abgekanteten Blechabschnitten aus Metall, um den lufteinlassseitig von der Kühlereinheit 5 ausgehenden Kühlluftstrom möglichst verlustarm zu dem Zylinder 10a zu leiten.
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In der 4 ist die zur 3 gegenüberliegende Seite des Kurbelgehäuses 6 erkennbar, auf welcher der zweite Zylinder 10c der Niederdruckstufe angeordnet ist.
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Gemäß 5 besteht das hier als Einzelbauteil dargestellte Luftleitgehäuse 7 aus dem ersten Gehäuseteil 7a und dem zweiten Gehäuseteil 7b, welche durch Verschraubungen miteinander lösbar verbunden sind. Durch eine Ausnehmung 13 ragt der – nicht weiter dargestellte – Zylinder 10a hervor. Das zweie Gehäuseteil 7b umfasst den Zylinder 10a im Wesentlichen U-förmig und insbesondere auch unterhalb der Anströmseite, über einen verlängerten Querabschnitt 14.
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In der 6 sind wandinnenseitig des Luftleitgehäuses 7 zwei einander beabstandet gegenüberliegende Finnen 15a und 15b angeordnet, welche im Bereich des zu kühlenden – hier nicht weiter dargestellten – Zylinder 10a am Luftleitgehäuse 7 angeordnet sind. Die beiden Finnen 15a und 15b dienen der Umlenkung des Kühlluftstroms von der Axialrichtung in die radiale Richtung zur Weiterführung an den zu kühlenden Zylinder 10a. Die in diesem Bereich stattfindende radiale Kühlluftführung nimmt die Form des – nicht weiter dargestellten – Axiallüfters 9 auf einer Seite der Verdichtereinheit 1 auf und verhindert ein seitliches Abströmen der Kühlluft, welche hierdurch in Richtung zu den Zylindern gelenkt wird. Die Wannengeometrie des Luftleitgehäuses 7 führt die Kühlluft durch den Querabschnitt 14 unterhalb des Zylinders 10a bis hin zur unteren Kante des benachbarten Zylinders 10b, welcher hierdurch sekundär mitgekühlt wird.
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Bei der in 7 dargestellten alternativen Ausführungsform eines Luftleitgehäuses 7‘ handelt es sich um ein spritzgegossenes Kunststoffteil, an dem die Finnen 15a‘ und 15b‘ direkt angeformt sind. Durch den ebenfalls angeformten Querabschnitt 14‘ wird Kühlluft auch unterhalb des – hier nicht weiter dargestellten – Zylinders bis hin zum benachbarten Zylinder geführt, um auch diesen mit zu kühlen.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, eine einzylindrige Verdichtereinheit mit der erfindungsgemäßen äußeren Kühlluftführung auszustatten. Die Kühlluftführung eignet sich insbesondere zum Verbau des hier beschriebenen kompaktbauenden Kolbenkompressors innerhalb einer kastenförmigen Schallkapsel, um trotz der durch die Kapslung bewirkte Schalldämpfung eine ausreichende Kühlung des Kolbenkompressors zu verwirklichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichtereinheit
- 2
- erste Stirnseite
- 3
- Motoreinheit
- 4
- zweite Stirnseite
- 5
- Kühlereinheit
- 6
- Kurbelgehäuse
- 7
- Luftleitgehäuse
- 8
- Kurbelwelle
- 9
- Axiallüfterrad
- 10
- Zylinder
- 11
- Schraube
- 12
- Schraube
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Querabschnitt
- 15
- Finne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010024346 A1 [0003]
