DE102017010095A1

DE102017010095A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102017010095A1
Application number: DE102017010095.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: DE102017010095B4

Abstract

Verdichter (10) zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, wobei der Verdichter (10) eine Antriebswelle (12), welche sich in einer axialen Richtung des Verdichters (10) erstreckt, eine erste und eine zweite Verdichterstufe (14, 16) mit wenigstens einem der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben (18) und wenigstens einem der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben (20), eine , insbesondere an der Antriebswelle (12) angeordnete, Schrägscheibe (22) zum Antrieb der Kolben (18, 20) in der axialen Richtung aufweist, wobei der Verdichter (10) frei von flüssigen Betriebsstoffen betreibbar ist, und wobei die Schrägscheibe an der Antriebswelle (12) oder an einem mit der Antriebswelle (12) drehfest verbundenen Element relativ zu der Antriebswelle (12) drehbar gelagert ist, sowie entsprechendes Druckluftaggregat.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Patentanspruch 1, sowie ein Druckluftaggregat gemäß Patentanspruch 20.
In der heutigen Zeit nimmt ein Bedarf an Druckluft ständig zu. Beispielsweise werden durch den Zuwachs im Bereich der Logistik Verdichter und Druckluftaggregate zur Verwendung in Fahrzeugen als Erzeuger von Druckluft für Druckluft-Bremsen in ansteigender Anzahl benötigt. Im ebenfalls expandierenden Personenverkehr sind Anwendungen im Bahn-Bereich (beispielsweise ebenfalls für Druckluftbremsen) zu nennen.
Bisher werden unterschiedliche Verdichter-Typen für die vorstehend genannten Gebiete eingesetzt. Es handelt sich dabei beispielsweise um

- Hubkolbenverdichter, trocken laufend, ölgeschmiert
- Schraubenverdichter, öleinspritzgekühlt
- Vielzellenverdichter, ölgeschmiert oder öleinspritzgekühlt
- Scrollverdichter, trocken laufend und ölgeschmiert

Aufgrund der Kontamination der Druckluft mit Öl bei einer Verwendung von ölgeschmierten Verdichtern besteht ein Bedarf an trocken laufenden Verdichtern. Klassische Hubkolbentriebwerke, sowohl mit Tauchkolben als auch mit Kreuzkopf geführten Kolben sind Stand der Technik, bauen aber relativ groß und zeichnen sich durch entsprechende Pulsationen und Schwingungen aus, die im mobilen Bereich nicht erwünscht sind. Auch sind Bauraum und Gewicht im heutigen Personenverkehr beschränkt und somit kommen stationäre Verdichterkonzepte für den mobilen Einsatz immer weniger in Frage.
Trocken laufende rotierende oder orbitierende Verdichter sind entweder zu aufwändig (Schraube) oder nicht funktionssicher (Scrollverdichter) und erreichen auch für den erforderlichen Betriebsdruck bis zu 13 bar nicht die entsprechende Effizienz.
Ausgehend vom vorstehend diskutierten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter anzugeben, der eine kompakte Bauweise aufweist und gleichzeitig möglichst unkontaminiertes Druckgas zur Verfügung stellt. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Druckluftaggregat anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdichter gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verdichter zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, weist eine Antriebswelle, welche sich in einer axialen Richtung des Verdichters erstreckt, eine erste und eine zweite Verdichterstufe mit wenigstens einem der ersten Verdichterstufe zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben und wenigstens einem der zweiten Verdichterstufe zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben, und eine , insbesondere an der Antriebswelle angeordnete, Schrägscheibe zum Antrieb der Kolben in der axialen Richtung auf. Der Verdichter ist frei von flüssigen Betriebsstoffen betreibbar bzw. kann auf Dauer ohne flüssige Betriebsstoffe netrieben werden und die Schrägscheibe ist an der Antriebswelle oder an einem mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Element relativ zu der Antriebswelle drehbar gelagert.
Dadurch ist eine kompakte Bauweise ohne Kontamination des Druckgases ermöglicht.
Der Aspekt, ein entsprechendes Druckluftaggregat zur Verfügung zu stellen, das die Aufgabenstellung erfüllt, wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 20 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer schematischen Ansicht von vorne;
2 den Verdichter der 1 in einer Schnittansicht, geschnitten entlang der Achse A-A aus 1;
3 den Verdichter der 1 in einer Schnittansicht, geschnitten entlang der Achse B-B aus 1;
4 den Verdichter der 1 in einer schematischen Seitenansicht,
5 den Verdichter der 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht (isometrische Ansicht),
6 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckluftaggregats in einer perspektivischen schematischen Ansicht,
7 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer Darstellung analog zu 2, d.h. in einer Schnittansicht;
8 den Verdichter der 7 in einer Schnittansichtin einer Darstellung analog zu 3, d.h. in einer Schnittansicht;
9 den Verdichter der 7 in einer schematischen Seitenansicht,
10 den Verdichter der 7 in einer schematischen perspektivischen Ansicht (isometrische Ansicht),
11 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckluftaggregats in einer perspektivischen schematischen Ansicht, und
12 die Schrägscheibe des Verdichters der 7 samt einem Schnitt C-C zur Verdeutlichung einer darin enthalten Verdrehsicherung für die Schrägscheibe bzw. Anschlag für einen Gleitschuh.

In 1 ist eine mögliche erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters 10 in einer Ansicht von vorne dargestellt, während die 2 und 3 jeweils Schnittansichten des Verdichters der 1 sind. In 2 ist eine Schnittansicht des Verdichters, geschnitten entlang der Achse A-A dargestellt, während 3 eine Schnittansicht des Verdichters, geschnitten entlang der Achse B-B zeigt.
Bei dem Verdichter 10 handelt es sich um einen zweistufigen Verdichter zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft. Der Verdichter 10 weist eine Antriebswelle 12 auf, welche sich in einer axialen Richtung des Verdichters 10 erstreckt. Er weist ferner eine erste Verdichterstufe 14 und eine zweite Verdichterstufe 16 mit wenigstens einem der ersten Verdichterstufe zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben 18 und wenigstens einem der zweiten Verdichterstufe zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben 20 auf.
Zum Antrieb der Kolben in der axialen Richtung ist eine Schrägscheibe 22 vorgesehen, die an die jeweiligen Kolben mittels Gleitschuhen 24 angelenkt ist. Zur Kühlung der Schrägscheibe 22 ist dieselbe mit Durchgangsbohrungen 25 versehen. Um eine Taumelbewegung in der axialen Richtung ausführen zu können, ist die Schrägscheibe 22 an einer Hülse 26 mittel eines Lagers 28 drehbar angelenkt. Die Hülse 26 ist mit der Antriebswelle 12 drehfest verbunden. Die mit der Antriebswelle 12 drehfest verbundene Hülse 26 weist eine in radialer Richtung verlaufende, zur Antriebswelle 10 über Bereiche derselben geneigte Oberfläche 30 auf, an der die Schrägscheibe 22 angelenkt bzw. gelagert ist. Die Neigung zu der Antriebswelle variiert derart, dass die Schrägscheibe 22 eine taumelnde Bewegung, d.h. eine in der axialen Richtung erfolgende Hin- und Herbewegung ausführen kann. In alternativen Ausführungsformen kann die Schrägscheibe 22 auch direkt an der Antriebswelle 12 angelenkt sein. Die Hülse 26 ist in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform auf die Antriebswelle 10 aufgeschrumpft. Alternative Besfestigungsverfahren, beispielsweise Schweißen, Löten, Kleben, eine Befestigung mit Schrauben oder auch entsprechend ausgebildeten Bolzen wären ebenfalls denkbar. Um eine Drehbewegung in der Umfangsrichtung zu vermeiden, ist die Schrägscheibe 22 mittels eines Stifts 27 (in Umfangsrichtung drehfest, jedoch in axialer Richtung beweglich) im Gehäuse fixiert.
Das Lager 28 ist gegen seine Umgebung hin abgedichtet. Das Lager 28 ist fettgeschmiert, d.h. es weist eine Fettfüllung auf, die durch die Abdichtung gegen die Umgebung nicht aus dem Lager austreten kann.
Die Antriebswelle 12 ist im Verdichter 10 mittels eines ersten Antriebswellenlagers 32 und eines zweiten Antriebswellenlagers 34 gelagert. Das erste Antriebswellenlager 32 ist in einem der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten ersten Zylinderblock 36 angeordnet, während das zweite Antriebswellenlager 34 in einem der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten zweiten Zylinderblock 38 angeordnet ist. Die beiden Antriebswellenlager 32, 34 weisen ebenfalls eine Abdichtung gegenüber ihrer Umgebung und eine in die Lager 32, 34 eingebrachte Fettfüllung auf. Das erste Antriebswellenlager 32 und das zweite Antriebswellenlager 34 ist jeweils als Vierpunktlager ausgebildet.
Da neben den Lagern 28, 32 und 34 keine weiteren Stellen im Verdichter 10 Schmierung benötigen, ist der Verdichter 10 als trockenlaufender Verdichter ausgebildet. Trockenlaufend bedeutet im vorliegenden Fall frei von flüssigen Betriebsstoffen. Trockenlaufend im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet frei von flüssigen Betriebsstoffen wie beispielsweise Öl“ wobei sich dies insbesondere auf einen Arbeitsraum und einen vom Arbeitsfluid berührtem Teil des Verdichters bezieht, da sich in den Lagern eine Lebensdauer-Fettfüllung befindet. Auch die Lager können jedoch in der Terminologie der vorliegenden Anmeldung als frei von flüssigen Betriebsstoffen angesehen werden und somit kann der vollständige Verdichter 10 als frei von flüssigen Betriebsstoffen angesehen werden.
Die der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 sind in dem ersten Zylinderblock 36 in dort entsprechend ausgebildeten Aussparungen (Zylinderbohrungen) axial hin- und herbeweglich angeordnet. Die der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 hingegen sind in dem zweiten Zylinderblock 38 in dort entsprechend ausgebildeten Aussparungen (Zylinderbohrungen bzw. Zylinder) axial hin- und herbeweglich angeordnet. Der erste Zylinderblock 36 ist dem zweiten Zylinderblock 38 in der axialen Richtung gegenüberliegend angeordnet. Demnach sind auch die der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 zu den der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 in der axialen Richtung gegenüberliegend angeordnet. Dadurch werden die Verdichtungskräfte teilweise kompensiert. Jeweils ein der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneter Kolben und ein der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneter Kolben ist dabei mittels einer gemeinsamen Verbindungsstange 39 verbunden. Dadurch können an einem Kolben auftretende Kräfte in den Kolben der anderen Verdichterstufe geleitet werden.
Die der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18, die in den Zylindern des ersten Zylinderblocks 36 angeordnet sind und die der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20, die in den Zylindern des zweiten Zylinderblocks 38 angeordnet sind, unterscheiden sich in ihrer axialen Erstreckung, da der Durchmesser der Zylinder des ersten Zylinderblocks 36 und der Durchmesser der Zylinder des zweiten Zylinderblocks 38 sich unterscheiden. Der Durchmesser der Zylinder des ersten Zylinderblocks 36 und der Durchmesser der Zylinder des zweiten Zylinderblocks 38 haben ein Verhältnis zueinander, das dem Druckverhältnis zwischen der ersten Verdichterstufe 14 (der der erste Zylinderblock 36 zugeordnet ist) und der zweiten Verdichterstufe 16 (der der zweite Zylinderblock 38 zugeordnet ist) angepasst ist. Der Durchmesser der Zylinder des ersten Zylinderblocks 36 und der Durchmesser der Zylinder des zweiten Zylinderblocks 38 haben insbesondere ein Verhältnis zueinander,so dass beide Stufen in etwa das gleiche Druckverhältnis haben (z.B. πND=3 πHD=3 πges=9) und ferner so, dass die Kolbenkräfte in etwa gleich sind. In anderen Worten ausgedrückt sind die Zylinder derart angepasst, dass Druck mal Fläche der beiden Stufen zu der gleichen Kraft führt. Mit dieser Ausführung wird eine teilweise Kompensation der Verdichtungskräfte in der Verbindungsstange 39 erreicht (die Rückexpansionskraft des zurück gehenden Kolben wird direkt dem verdichtenden Kolben zugeführt, dies ist zur Verringerung der Reibung dienlich).
Die Anzahl der der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform identisch zu der Anzahl der der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform weist jede Verdichterstufe 5 Kolben auf, in weiteren möglichen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der der ersten Verdichterstufe zugeordneten Kolben 18 zwei bis elf, vorzugsweise drei bis sieben und die Anzahl der der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 ebenfalls zwei bis elf, vorzugsweise drei bis sieben, wobei die Anzahl der der der ersten Verdichterstufe 18 zugeordneten Kolben 18 sich von der Anzahl der der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 unterscheiden kann.
Die Dimensionierung des Verdichters 10, insbesondere der Durchmesser der Kolben und ein Kolbenhub sind angepasst, um einen Sauggasvolumenstrom von 5 - 160 m³/h, vorzugsweise 12 - 120 m³/h, zu bewirken. Typische Kolbendurchmesser liegen zwischen 20 und 70mm bei Kolbenhüben von beispielsweise 70mm oder weniger, insbesondere 30mm bis 70mm.
Der Verdichter 10 weist für jeden der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Zylinder ein erstes Einlassventil 40 und ein erstes Auslassventil 42 auf. Das erste Auslassventil 42 ist jeweils in Form eines Zungen- bzw. Lamellenventils gebildet, das sich bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Zylinderraum öffnet. Das erste Einlassventil 40 ist in dem jeweiligen der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 angeordnet und öffnet sich bei Unterschreiten eines vorbestimmten Drucks im jeweiligen Zylinderraum. Der Verdichter 10 weist ferner für jeden der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Zylinder ein zweites Einlassventil 50 und ein zweites Auslassventil 52 auf. Das zweite Auslassventil 52 ist ebenfalls jeweils in Form eines Zungen- bzw. Lamellenventils gebildet, das sich bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Zylinderraum öffnet.
Aufgrund seiner Anordnung im Kolben öffnet sich das erste Einlassventil 40 gegen einen Triebwerksraum 44 hin, der durch ein Gehäuse 46 des Verdichters 10 begrenzt ist. Der Triebwerksraum 44 fungiert dadurch gleichzeitig als Saugvolumen, durch das das zu verdichtende gasförmige Medium strömt. Dadurch kann eine Kühlung des Triebwerksraums 44 und der darin angeordneten Bauteile (insbesondere Schrägscheibe 22) erreicht werden.
Das erste Auslassventil 42 öffnet sich gegen ein Zwischendruckvolumen 48 hin, welches an einer Verdichter-Außenseite, die dem ersten Zylinderblock 14 zugeordnet ist, in etwa ringförmig ausgebildet ist. Von dort wird das unter Zwischendruck stehende Medium in ein weiteres, in etwa ringförmiges Zwischendruckvolumen 48a geleitet, welches als Saugvolumen der zweiten Verdichterstufe 16 fungiert. Das Zwischendruckvolumen 48a ist an einer Verdichter-Außenseite, die dem zweiten Zylinderblock 16 zugeordnet ist, ausgebildet, von wo es jeweils in die der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Zylinder gesogen wird. Nach einer Verdichtung auf den Enddruck (Hochdruck) wird das zu verdichtende Medium dann durch das jeweilige zweite Auslassventil 52 in ein Hochdruckvolumen 54 ausgestoßen, welches wiederum in etwa ringförmig an einer Verdichter-Außenseite, die dem zweiten Zylinderblock 16 zugeordnet ist, ausgebildet ist. Von dort kann das verdichtete Medium dann zum Abnehmer gelangen.
In 6 ist eine mögliche erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckluftaggregats 100 dargestellt, das den vorstehend beschriebenen Verdichter 10 aufweist. Neben dem Verdichter 10 weist das Druckluftaggregat 100 einen Elektromotor 102 auf, welcher mit der Antriebswelle 12 des Verdichters 10 gekoppelt ist. Der Elektromotor 102 ist in der vorliegenden Ausführungsform direkt mit der Antriebswelle 12 des Verdichters 10 gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen wäre es denkbar, dass der Elektromotor 102 über ein Getriebe oder eine Kupplung, beispielsweise Magnetkupplung oder auch über einen Riementrieb an den Verdichter 10 gekoppelt ist.
Auf der dem ersten Zylinderblock 14 zugeordneten Seite des Verdichters 10 ist ein Zwischenkühler 104 mit Lüfter angeordnet, welcher das auf Zwischendruck verdichtete Medium kühlt. Auf der dem zweiten Zylinderblock 16 zugeordneten Seite des Verdichters 10 ist ein Nachkühler 106 mit Lüfter angeordnet, welcher das auf Hochdruck verdichtete Medium kühlt. Der Verdichter 10 selbst ist zusätzlich an seiner Außenseite mit Kühlrippen 108 ausgestattet.
In 7 ist eine Schnittansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verdichters analog zu der Darstellung der ersen Ausfühtungsform in 2 dargestellt, während 8 eine Schnittansicht des Verdichters zeigt.
Bei dem Verdichter 10 handelt es sich wiederum um einen zweistufigen Verdichter zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft. Der Verdichter 10 weist eine Antriebswelle 12 auf, welche sich in einer axialen Richtung des Verdichters 10 erstreckt. Er weist ferner eine erste Verdichterstufe 14 und eine zweite Verdichterstufe 16 mit wenigstens einem der ersten Verdichterstufe zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben 18 und wenigstens einem der zweiten Verdichterstufe zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben 20 auf.
Zum Antrieb der Kolben in der axialen Richtung ist eine Schrägscheibe 22 vorgesehen, die an die jeweiligen Kolben mittels Gleitschuhen 24 angelenkt ist. Zur Kühlung der Schrägscheibe 22 ist diese mit radialen Schlitzen 25a versehen. Um eine Taumelbewegung in der axialen Richtung ausführen zu können, ist die Schrägscheibe 22 an einer Hülse 26 mittel Lagern 28.1, 28.2 drehbar angelenkt. Die Hülse 26 ist mit der Antriebswelle 12 drehfest verbunden. Die mit der Antriebswelle 12 drehfest verbundene Hülse 26 weist eine in radialer Richtung verlaufende, zur Antriebswelle 10 über Bereiche derselben geneigte Oberfläche 30 auf, an der die Schrägscheibe 22 angelenkt bzw. gelagert ist. Die Neigung zu der Antriebswelle variiert derart, dass die Schrägscheibe 22 eine taumelnde Bewegung, d.h. eine in der axialen Richtung erfolgende Hin- und Herbewegung ausführen kann. In alternativen Ausführungsformen kann die Schrägscheibe 22 auch direkt an der Antriebswelle 12 angelenkt sein. Die Hülse 26 ist in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform auf die Antriebswelle 10 aufgeschrumpft. Alternative Besfestigungsverfahren, beispielsweise Schweißen, Löten, Kleben, eine Befestigung mit Schrauben oder auch entsprechend ausgebildeten Bolzen, Passfeder oder Keil wären ebenfalls denkbar. Um eine Drehbewegung in der Umfangsrichtung zu vermeiden, kann die Schrägscheibe 22 mittels eines Stifts 27 oder mittels zwei Anschlägen 27.1 (links und rechts eines Gleitschuhes 24) auf der Schrägscheibe 22 (in Umfangsrichtung drehfest, jedoch in axialer Richtung beweglich) im Gehäuse fixiert sein (siehe hierzu insbesondere 12).
Die Lager 28.1 und 28.2 sind gegen ihre Umgebung hin abgedichtet. Die Lager 28.1 und 28.2 sind fettgeschmiert, d.h. sie weisen eine Fettfüllung auf, die durch die Abdichtung gegen die Umgebung nicht aus dem Lager austreten kann. Die Lager sind derart angeordnet, dass die bei Verdichterhochlauf auftretende wechselnde Richtung der Axialkraft (aus Produkt Kolbenfläche mal Druck) mittels einer Ausgleichsfeder 28.3 kompensiert wird, die eine entsprechende Vorspannung bereitstellt. In anderen Worten gesagt weist der Verdichter 10 ein elastisches Element, insbesondere eine Feder 28.3 auf, welche in Wirkeingriff mit der Schrägscheibe und/oder mit dem Lager/den Lagern (28; 28.1,28.2) steht und eine Vorspannung ausübt bzw. derart angeordnet ist, dass die auftretende wechselnde Richtung der Axialkraft mittels derselben (Ausgleichsfeder 28.3) kompensiert wird.
Die Antriebswelle 12 ist im Verdichter 10 mittels eines ersten Antriebswellenlagers 32 und eines zweiten Antriebswellenlagers 34 gelagert. Das erste Antriebswellenlager 32 ist in einem der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten ersten Zylinderblock 36 angeordnet, während das zweite Antriebswellenlager 34 in einem der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten zweiten Zylinderblock 38 angeordnet ist. Die beiden Antriebswellenlager 32, 34 weisen ebenfalls eine Abdichtung gegenüber ihrer Umgebung und eine in die Lager 32, 34 eingebrachte Fettfüllung auf. Die Lager sind derart angeordnet, dass die bei Verdichterhochlauf auftretende wechselnde Richtung der Axialkraft (aus Produkt Kolbenfläche mal Druck) mittels einer Ausgleichsfeder 34.1 kompensiert wird, die eine entsprechende Vorspannung bereitstellt. In anderen Worten gesagt weist der Verdichter 10 ein elastisches Element, insbesondere eine Feder 34.1 auf, welche in Wirkeingriff mit wenigstens einem Antriebswellenlager (32, 34) oder der Antriebswelle steht und und eine Vorspannung ausübt bzw. derart angeordnet ist, dass die auftretende wechselnde Richtung der Axialkraft mittels derselben (Ausgleichsfeder 34.1) kompensiert wird.
Da neben den Lagern 28.1,28.2,32 und 34 keine weiteren Stellen im Verdichter 10 Schmierung benötigen, ist der Verdichter 10 als trockenlaufender Verdichter ausgebildet. Trockenlaufend bedeutet im vorliegenden Fall frei von flüssigen Betriebsstoffen. Trockenlaufend im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet frei von flüssigen Betriebsstoffen wie beispielsweise Öl wobei sich dies insbesondere auf einen Arbeitsraum und einen vom Arbeitsfluid berührtem Teil des Verdichters bezieht, da sich in den Lagern eine Lebensdauer-Fettfüllung befindet. Auch die Lager können jedoch in der Terminologie der vorliegenden Anmeldung als frei von flüssigen Betriebsstoffen angesehen werden und somit kann der vollständige Verdichter 10 als frei von flüssigen Betriebsstoffen angesehen werden.
Die der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 sind in dem ersten Zylinderblock 36 in dort entsprechend ausgebildeten Aussparungen (Zylinderbohrungen) axial hin- und herbeweglich angeordnet. Die der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 hingegen sind in dem zweiten Zylinderblock 38 in dort entsprechend ausgebildeten Aussparungen (Zylinderbohrungen bzw. Zylinder) axial hin- und herbeweglich angeordnet. Der erste Zylinderblock 36 ist dem zweiten Zylinderblock 38 in der axialen Richtung gegenüberliegend angeordnet. Demnach sind auch die der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 zu den der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 in der axialen Richtung gegenüberliegend angeordnet. Dadurch werden die Verdichtungskräfte teilweise kompensiert. Jeweils ein der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneter Kolben und ein der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneter Kolben ist dabei mittels einer gemeinsamen Verbindungsstange bzw. Kolbenbrücke 39 verbunden. Dadurch können an einem Kolben auftretende Kräfte in den Kolben der anderen Verdichterstufe geleitet werden. Die durch die Kolbenbrücke 39 verursachte laterale Schwerpunksverschiebung der Kolben 18, wird mittels einer Führungsbuchse 110 in der Kolbenbrücke 39 und eines Führungsstiftes 112, befestigt in den Zylinderblöcken 36, 38 gegen Abkippen geführt.
Die der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18, die in den Zylindern des ersten Zylinderblocks 36 angeordnet sind und die der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20, die in den Zylindern des zweiten Zylinderblocks 38 angeordnet sind, unterscheiden sich in ihrer axialen Erstreckung, da der Durchmesser der Zylinder des ersten Zylinderblocks 36 und der Durchmesser der Zylinder des zweiten Zylinderblocks 38 sich unterscheiden. Der Durchmesser der Zylinder des ersten Zylinderblocks 36 und der Durchmesser der Zylinder des zweiten Zylinderblocks 38 haben ein Verhältnis zueinander, das dem Druckverhältnis zwischen der ersten Verdichterstufe 14 (der der erste Zylinderblock 36 zugeordnet ist) und der zweiten Verdichterstufe 16 (der der zweite Zylinderblock 38 zugeordnet ist) angepasst ist. Der Durchmesser der Zylinder des ersten Zylinderblocks 36 und der Durchmesser der Zylinder des zweiten Zylinderblocks 38 haben insbesondere ein Verhältnis zueinander,so dass beide Stufen in etwa das gleiche Druckverhältnis haben (z.B. πND=3 πHD=3 πges=9) und ferner so, dass die Kolbenkräfte in etwa gleich sind. In anderen Worten ausgedrückt sind die Zylinder derart angepasst, dass Druck mal Fläche der beiden Stufen zu der gleichen Kraft führt. Mit dieser Ausführung wird eine teilweise Kompensation der Verdichtungskräfte in der Verbindungsstange 39 erreicht (die Rückexpansionskraft des zurück gehenden Kolben wird direkt dem verdichtenden Kolben zugeführt, dies ist zur Verringerung der Reibung dienlich).
Die Anzahl der der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform identisch zu der Anzahl der der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform weist jede Verdichterstufe 5 Kolben auf, in weiteren möglichen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der der ersten Verdichterstufe zugeordneten Kolben 18 zwei bis elf, vorzugsweise drei bis sieben und die Anzahl der der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 ebenfalls zwei bis elf, vorzugsweise drei bis sieben, wobei die Anzahl der der der ersten Verdichterstufe 18 zugeordneten Kolben 18 sich von der Anzahl der der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Kolben 20 unterscheiden kann.
Die Dimensionierung des Verdichters 10, insbesondere der Durchmesser der Kolben und ein Kolbenhub sind angepasst, um einen Sauggasvolumenstrom von 5 - 160 m³/h, vorzugsweise 12 - 120 m³/h, zu bewirken. Typische Kolbendurchmesser liegen zwischen 20 und 70mm bei Kolbenhüben von beispielsweise 70mm oder weniger, insbesondere 30mm bis 70mm.
Der Verdichter 10 weist für jeden der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Zylinder ein erstes Einlassventil 40 und ein erstes Auslassventil 42 auf. Das erste Auslassventil 42 ist jeweils in Form eines Zungen- bzw. Lamellenventils gebildet, das sich bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Zylinderraum öffnet. Das erste Einlassventil 40 ist in dem jeweiligen der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneten Kolben 18 angeordnet und öffnet sich bei Unterschreiten eines vorbestimmten Drucks im jeweiligen Zylinderraum. Der Verdichter 10 weist ferner für jeden der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Zylinder ein zweites Einlassventil 50 und ein zweites Auslassventil 52 auf. Das zweite Auslassventil 52 ist ebenfalls jeweils in Form eines Zungen- bzw. Lamellenventils gebildet, das sich bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Zylinderraum öffnet.
Aufgrund seiner Anordnung im Kolben öffnet sich das erste Einlassventil 40 gegen einen Triebwerksraum 44 hin, der durch ein Gehäuse 46 des Verdichters 10 begrenzt ist. Der Triebwerksraum 44 fungiert dadurch gleichzeitig als Saugvolumen, durch das das zu verdichtende gasförmige Medium strömt. Dadurch kann eine Kühlung des Triebwerksraums 44 und der darin angeordneten Bauteile (insbesondere Schrägscheibe 22) erreicht werden.
Das erste Auslassventil 42 öffnet sich gegen ein Zwischendruckvolumen 48 hin, welches an einer Verdichter-Außenseite, die dem ersten Zylinderblock 14 zugeordnet ist, in etwa ringförmig ausgebildet ist. Von dort wird das unter Zwischendruck stehende Medium in ein weiteres, in etwa ringförmiges Zwischendruckvolumen 48a geleitet, welches als Saugvolumen der zweiten Verdichterstufe 16 fungiert. Das Zwischendruckvolumen 48a ist an einer Verdichter-Außenseite, die dem zweiten Zylinderblock 16 zugeordnet ist, ausgebildet, von wo es jeweils in die der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneten Zylinder gesogen wird. Nach einer Verdichtung auf den Enddruck (Hochdruck) wird das zu verdichtende Medium dann durch das jeweilige zweite Auslassventil 52 in ein Hochdruckvolumen 54 ausgestoßen, welches wiederum in etwa ringförmig an einer Verdichter-Außenseite, die dem zweiten Zylinderblock 16 zugeordnet ist, ausgebildet ist. Von dort kann das verdichtete Medium dann zum Abnehmer gelangen.
In 6 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckluftaggregats 100 dargestellt, das die vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform eines erfinungsgemäßen Verdichters 10 aufweist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das hier beschriebene Druckluftaggregat selbstverständlich auch einen Verdichter gemäß der ersten Ausführungsform aufweisen kann.
Neben dem Verdichter 10 weist das Druckluftaggregat 100 einen Elektromotor 102 auf, welcher mit der Antriebswelle 12 des Verdichters 10 gekoppelt ist. Der Elektromotor 102 ist in der vorliegenden Ausführungsform direkt mit der Antriebswelle 12 des Verdichters 10 gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen wäre es denkbar, dass der Elektromotor 102 über ein Getriebe oder eine Kupplung, beispielsweise Magnetkupplung oder auch über einen Riementrieb an den Verdichter 10 gekoppelt ist.
Auf der dem ersten Zylinderblock 14 zugeordneten Seite des Verdichters 10 sind ein Zwischen- und Nachkühler 104 und 106 mit Lüfter angeordnet, welcher das auf Zwischendruck verdichtete Medium im Zwischenkühler 104 kühlt und das auf den Enddruck verdichtete Medium im Nachkühler 106 kühlt. Die Verdichterstufe 10 selbst ist zusätzlich an der Außenseite mit Kühlrippen 108 ausgestattet.
Zusammenfassend ist die vorliegende Konstruktion insbesondere durch die folgenden Punkte charakterisiert:

1. Trocken laufender, 2-stufiger Axialkolbenverdichter mit Schrägscheiben-Antrieb, Oszillation der Kolben mit Schrägscheibe.
2. Mit gegenüber liegenden und mittels einer Verbindungsstange/Kolbenbrücke verbundenen Hoch - und Niederdruckzylindern, wodurch die Verdichtungskräfte teilweise kompensiert werden.
3. Mit Hoch- und Niederdruckzylindern, die entsprechend dem Druckverhältnis der Hoch- und Niederdruckstufe im Durchmesser angepasst sind.
4. Mit einer Zylinderzahl von 2 bis 11, insbesondere 3 bis 7 pro Stufe um eine Pulsationsarmut und hohe Laufruhe zu erreichen.
5. In einem Leistungsbereich von bevorzugt 5 - 160 m³/h, vorzugsweise 12 - 120 m³/h Sauggasvolumenstrom.
6. Mit axialer Anordnung und Schrägscheibe, wodurch keine Querkräfte an den trocken laufenden Kolben entstehen.
7. Mit einer für die Lebensdauer gefüllten, abgedichteten, fettgeschmierten Lagerung der Schrägscheibe auf der Welle, wodurch die Drehzahl relativ zu den Kolbenantrieben minimiert wird, wodurch die Reibleistung an den Kolbenantrieben signifikant reduziert wird.
8. Mit einer für die Lebensdauer gefüllten, abgedichteten, fettgeschmierten Lagerung der Welle.
9. Mit einer Lageranordnung und Vorspannung der Lager 28.1, 28.2, 32 und 34 derart,dass die wechselseitig auftretende Axialkraft durch die Ausgleichsfeder 28.3 kompensiert wird.
10. Mit einer besonders einfach zu bauenden und montierenden Anordnung der Schrägscheibe auf der Welle.
11. Mit Druck-gesteuerten Ein- und Auslassventilen, wobei in einer besonders günstigen Ausführung das Sauggas durch den Niederdruckkolben angesaugt wird, d.h. das Einlassventil befindet sich im Niederdruckkolben.
12. Mit einer Ausführung gemäß 11., wodurch der Triebwerksraum durchspült und gekühlt wird.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

10: Verdichter
12: Antriebswelle
14: erste Verdichterstufe
16: zweite Verdichterstufe
18: der ersten Verdichterstufe 14 zugeordneter Kolben
20: der zweiten Verdichterstufe 16 zugeordneter Kolben
22: Schrägscheibe
24: Gleitschuhe
25: Durchgangsbohrung
25a: radialer Schlitz
26: Hülse
27: Stift
28, 28.1, 28.2: Lager
28.3: Feder
30: Oberfläche
32: erstes Antriebswellenlager
34: zweites Antriebswellenlager
34.1: Feder
36: erster Zylinderblock
38: zweiter Zylinderblock
39: Verbindungsstange/Kolbenbrücke
40: erstes Einlassventil
42: erstes Auslassventil
44: Triebwerksraum
46: Gehäuse
48, 48a: Zwischendruckvolumen
50: zweites Einlassventil
52: zweites Auslassventil
54: Hochdruckvolumen
100: Druckluftaggregat
102: Elektromotor
104: Zwischenkühler
106: Nachkühler
108: Kühlrippe
110: Führungsbuchse
112: Führungsstift

Claims

Verdichter (10) zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, wobei der Verdichter (10) - eine Antriebswelle (12), welche sich in einer axialen Richtung des Verdichters (10) erstreckt, - eine erste und eine zweite Verdichterstufe (14, 16) mit wenigstens einem der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben (18) und wenigstens einem der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordneten, in der axialen Richtung hin-und herbeweglichen Kolben (20), - eine , insbesondere an der Antriebswelle (12) angeordnete, Schrägscheibe (22) zum Antrieb der Kolben (18, 20) in der axialen Richtung aufweist, wobei der Verdichter (10) frei von flüssigen Betriebsstoffen betreibbar ist, und wobei die Schrägscheibe an der Antriebswelle (12) oder an einem mit der Antriebswelle (12) drehfest verbundenen Element relativ zu der Antriebswelle (12) drehbar gelagert ist.
Verdichter (10) nach Anspruch 1, wobei der oder die der ersten Verdichterstufe (14) zugeordnete(n) Kolben (18) und der oder die der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordnete(n) Kolben (20) sich in der axialen Richtung gegenüberliegend angeordnet ist/sind.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der der ersten Verdichterstufe (14) zugeordnete(n) Kolben (18) identisch zu der Anzahl der der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordnete(n) Kolben (20) ist.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeweils ein der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneter Kolben (18) und ein der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordneter Kolben (29) mittels einer gemeinsamen Verbindungsstange bzw. Kolbenbrücke (39) verbunden sind.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der oder die der ersten Verdichterstufe (14) zugeordnete(n) Kolben (18) jeweils in einem der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneten Zylinder und der oder die der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordnete(n) Kolben (20) jeweils in einem der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordneten Zylinder angeordnet sind, wobei die Durchmesser der Zylinder der ersten Verdichterstufe (14) und der zweiten Verdichterstufe (16) angepasst sind, so dass beide Stufen in etwa das gleiche Druckverhältnis haben.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei der oder die der ersten Verdichterstufe (14) zugeordnete(n) Kolben (18) jeweils in einem der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneten Zylinder und der oder die der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordnete(n) Kolben (20) jeweils in einem der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordneten Zylinder angeordnet sind, wobei die Durchmesser der Zylinder der ersten Verdichterstufe (14) und der zweiten Verdichterstufe (16) angepasst sind, so dass die Kolbenkräfte für beide Stufen in etwa gleich sind.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneten Kolben (18) 2 bis 11, insbesondere 3 bis 7 beträgt und wobei die Anzahl der der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordneten Kolben (20) 2 bis 11, insbesondere 3 bis 7 beträgt.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dimensionierung des Verdichters (10), insbesondere der Durchmesser der Kolben und ein Kolbenhub angepasst sind, um einen Sauggasvolumenstrom von 5 - 160 m³/h, vorzugsweise 12 - 120 m³/h zu bewirken.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lagerung der Schrägscheibe (22) an der Antriebswelle (12) oder an dem mit der Antriebswelle (12) drehfest verbundenen Element durch ein oder mehrere gegen die Umgebung der Lagerung abgedichtete(s) und fettgeschmierte(s) Lager (28; 28.1, 28.2) gebildet ist.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mit der Antriebswelle (12) drehfest verbundene Element eine zwischen Antriebswelle (12) und Schrägscheibe (22) angeordnete, mit der Antriebswelle (12) drehfest verbundene Hülse (26) ist, die eine in radialer Richtung verlaufende, zur Antriebswelle (12) geneigte Oberfläche (30) aufweist, an der die Schrägscheibe (22) gelagert ist.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (12) im Verdichter (10), insbesondere im Bereich eines ersten Zylinderblocks (36) und eines zweiten Zylinderblocks (38), der dem ersten Zylinderblock (36) in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet ist, gelagert ist, wobei die Lagerung durch ein erstes und ein zweites Lager (32, 34) gebildet wird, die gegenüber Ihrer Umgebung abgedichtet und fettgeschmiert sind.
Verdichter (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Verdichter (10) ein elastisches Element, insbesondere Feder (28.3) aufweist, welches in Wirkeingriff mit der Schrägscheibe und/oder mit dem Lager/den Lagern (28; 28.1,28.2) steht.
Verdichter(10) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Verdichter 10 ein elastisches Element, insbesondere eine Feder (34.1) aufweist, welches in Wirkeingriff mit wenigstens einem Antriebswellenlager (32, 34) oder der Antriebswelle steht.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (10) Gleitschuhe (24) aufweist und wobei an der Schrägscheibe (22) zwei Anschläge (27.1) angeordnet sind, so dass die Schrägscheibe (22) gegen den Gleitschuh (24) verdreh-gesichert ist.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (10) Zylinderblöcke (36, 38) und einen Führungsstift (112) aufweist, der in einer Führungsbuchse (110) in einer/der Kolbenbrücke (39) gelagert ist und in den Zylinderblöcken (36, 38) befestigt ist, der einer durch die Kolbenbrücke (39) verursachten lateralen Schwerpunktsverschiebung der Kolben entgegenwirkt.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (10) erste Einlassventile (40) und erste Auslassventile (42), die jeweils der ersten Verdichterstufe (14) zugeordnet sind, und zweite Einlassventile (50) und zweite Auslassventile (52) aufweist, die jeweils der zweiten Verdichterstufe (16) zugeordnet sind, wobei wenigstens Teile, insbesondere alle, der vorangehend genannten Ventile druckgesteuert und/oder druckbetätigt sind.
Verdichter (10) nach Anspruch 16, wobei jeweils wenigstens ein erstes Einlassventil (40) in einem der ersten Verdichterstufe (14) zugeordneten Kolben angeordnet ist.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter einen Triebwerksraum aufweist, in welchem Sauggas, das zur Verdichtung in der ersten Verdichterstufe (14) vorgesehen ist, strömt.
Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schrägscheibe (22) mit Durchgangsbohrungen und/oder radialen Schlitzen (25a) versehen ist.
Druckluftaggregat, das einen Verdichter (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Druckluftaggregat nach Anspruch 20, das einen Antriebsmotor (102) aufweist, der mit dem Verdichter (10) direkt gekoppelt ist, sowie einen Zwischenkühler (104) und/oder einen Nachkühler (106).