DE102019120730A1

DE102019120730A1 - Zylinderkolben für einen Luftkompressor

Info

Publication number: DE102019120730A1
Application number: DE102019120730.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Schmalz; Philipp Schaible; Christine Reich
Original assignee: Amk Holding & Co KG GmbH
Current assignee: Amk Holding & Co Kg De GmbH
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-04
Also published as: US11454230B2; CN112302905A; US20210033084A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkolben (10) für einen Luftkompressor, insbesondere für einen zweistufigen Luftkompressor.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Kolbenfläche (11) des Zylinderkolbens (10) zumindest eine Kanalöffnung (12) integriert ist, die als ein Einlassventil (14) und/oder als ein Auslassventil (16) von Luft in einem Verdichtungsraum des Zylinders ausgebildet ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Zylinder mit zumindest einem erfindungsgemäßen Zylinderkolben (10) und ein Luftkompressor mit einem vorgenannten Kompressorzylinder.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkolben für einen Luftkompressor, insbesondere für einen zweistufigen Luftkompressor.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Zylinder mit zumindest einem erfindungsgemäßen Zylinderkolben.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Zylinderkolben bekannt, die beispielsweise zum Komprimieren von Luft oder Luftgemischen in Zylinderkompressoren eingesetzt werden. Ein derartiger Kompressor wird zum maschinellen Komprimieren verschiedener Gase verwendet und daher als Kolbenverdichter bezeichnet. Derartige Verdichter können im Automobilbereich, insbesondere zur Druckluftbereitstellung für eine dynamische Luftfederung eingesetzt werden.
Bei einem Kolbenkompressor öffnet sich beim Zurückziehen des Kolbens gleichzeitig ein Einlassventil und Luft oder Gas gelangt in einen Kesselraum. Sobald der Kolben sich in die Ausgangslage zurückzieht, schließt sich das Ventil wieder und der Kolben presst die sich im Kessel befindende Luft zusammen. Das komprimierte Medium kann sich durch ein Ventil in dem angrenzenden Druckluftbehälter zur Druckseite hin freisetzen oder gespeichert werden. Weiterhin kann zumindest ein Auslassventil angeordnet sein, das zum Ablassen von Abgasen oder nicht benötigtem Luft- oder Gasvolumen dient. Kolbenkompressor können auf viele verschiedene Weisen angetrieben werden, z B. durch einen Elektromotor.
Bei einem zweistufigen Kolbenkompressor werden in der Regel zwei getrennte Kolben, meist in einem gemeinsamen Zylinder eingesetzt, wobei ein Kolben eine Niederdruckstufe und ein Kolben eine Hochdruckstufe ausbildet. Zwischen den beiden Stufen ist eine mittels Rückschlagventile steuerbare Druckleitung vorgesehen, um eine in der Niederdruckstufe z.B. auf 5-8 Bar vorkomprimierte Druckluft in die Hochdruckstufe zu befördern, wo diese auf 15-18 Bar Druck weiter komprimiert wird.
In der Regel sind die Einlass- und Auslassventile im Verdichtergehäuse bzw. im Zylinderkopf oder Zylinderboden angeordnet. Dabei sind die Einlass- und Auslassventile als getrennte Ventile ausgebildet. Dadurch muss zum einen ein erforderlicher Bauraum für die Ventile zur Verfügung stehen, zum anderen entsteht ein gro-ßes Totraumvolumen in einer Verdichterstufe.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Zylinderkolben vorzuschlagen, der die oben genannten Vorteile überwindet. Insbesondere soll Bauraum eingespart und unnötige Totraumvolumen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkolben und einen Zylinder nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung ist ein Zylinderkolben für einen Luftkompressor, insbesondere für einen zweistufigen Luftkompressor.
Es wird vorgeschlagen, dass in der Kolbenfläche des Zylinderkolbens zumindest eine Kanalöffnung integriert ist, die als ein Einlassventil und/oder als ein Auslassventil von Luft in einem Verdichtungsraum des Zylinders ausgebildet ist. Dadurch können die beiden Ventile, d. h. das Einlassventil sowie das Auslassventil in einer einzelnen Kanalöffnung umgesetzt werden. Durch lediglich eine Art Bohrung kann ein Einlassventil sowie ein Auslassventil ausgebildet werden. Die beiden Ventile können dabei quasi zusammengelegt bzw. kombiniert werden. Dadurch werden zwei Funktionsrichtungen mit einem Bauteil abgedeckt. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Ventile direkt auf der Kolbenfläche, d. h. in dem Zylinderkolben verbaut bzw. integriert sind. Dadurch kann eine Entkopplung des Überströmkanals erfolgen. Des Weiteren kann das Totraumvolumen in der Verdichterstufe reduziert werden, da die Ventile direkt an den Bereich der verdichteten Luft bzw. des verdichteten Gases anschließen und in der Zylinderwandung sind keine zusätzlichen Bohrungen für eine Kanalführung vorgesehen werden.
Durch die vorgeschlagene sogenannte Bauteilkombination kann das Kolbenkompressorsystem bzw. der Kolbenkompressor optimiert werden. Die vorgeschlagene Ausführung des Zylinderkolbens kann dabei beispielsweise für einen Kompressor im Automobilbereich, insbesondere für die Druckluftversorgung eines Luftfedersystems eingesetzt werden. Wesentliche Vorteile können dabei eine Effizienzsteigerung des Kompressors darstellen, wobei die bewegte Masse reduziert werden kann. Des Weiteren werden Bauteile eingespart, wodurch ebenso ein reduzierter Montageaufwand resultiert. Vorteilhaft ist weiterhin die reduzierte Bauteilgröße, da die Bereiche im Zylinder, in welchen die Ventile normalerweise angeordnet werden, entfallen.
Bevorzugt kann die Kanalöffnung im Wesentlichen parallel zu einer Bewegungsrichtung des Zylinderkolbens ausgerichtet sein. Die Kanalöffnung kann dabei von der Kolbenfläche, d. h. von einer Außenoberfläche des Zylinderkolbens zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des Zylinderkolbens in Kolbenverlaufsrichtung verlaufen. Dabei ist die Kanalöffnung bevorzugt als eine Art Bohrung, insbesondere als durchgängige Bohrung, ausgebildet. Die Kanalöffnung kann einen runden Querschnitt aufweisen. Über die Länge der Kanalöffnung, d. h. über die Länge der Bohrung, kann diese einen konstanten Querschnitt besitzen. Ebenso ist ein veränderlicher Querschnitt, beispielsweise ein konischer Verlauf des Querschnitts, denkbar, oder eine Ausnehmung zur Einbringung eines Rückschlagventilelements.
Die zumindest eine Kanalöffnung kann an einer beliebigen Position in der Kolbenfläche bzw. in dem Zylinderkolben angeordnet sein. Dabei besitzt die Kanalöffnung bevorzugt eine maximale Querschnittsabmessung, die um ein Vielfaches kleiner als die Querschnittsabmessung des Zylinderkolbens ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zumindest eine Kanalöffnung eine Verbindung zwischen einer ersten Verdichterstufe und einer zweiten Verdichterstufe eines zweistufigen Kolbenkompressors, oder eine Verbindung zu einem Luftansaugbereich, oder eine Verbindung zu einem Druckluftausgang bereitstellen. Dadurch kann der vorgeschlagene Zylinderkolben als Hochdruckkolben in einer Hochdruckstufe eingesetzt werden. Es ist ebenso denkbar, dass der Zylinderkolben einen Niederdruckkolben ausbildet. Vorteilhaft sind sowohl Hochdruck- als auch Niederdruckkolben mit einer Kanalöffnung ausgelegt, wobei im Niederdruckkolben ein Auslassventil und im Hochdruckkolben ein Einlassventil ausgebildet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zumindest eine Kanalöffnung als Rückschlagventil ausgebildet sein. Da das Rückschlagventil direkt in den Zylinderkolben integriert ist, kann ein Totraumvolumen reduziert werden. Dadurch kann die Reaktionszeit des Rückschlagventils verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können mehr als eine Kanalöffnung insbesondere zwei oder drei Kanalöffnungen, in dem Zylinderkolben integriert sein, die jeweils als ein Einlassventil oder als ein Auslassventil ausgebildet sein können. Beispielsweise können zwei Kanalöffnungen, d. h. zwei Bohrungen, in dem Zylinderkolben angeordnet sein. Diese können beispielsweise baugleich ausgebildet sein. Es ist ebenso denkbar, dass die beiden Kanalöffnungen unterschiedliche Geometrien im Querschnitt sowie über den Verlauf der Kanalöffnung bzw. Bohrung besitzen. Sind zwei Kanalöffnungen im Zylinderkolben vorhanden, kann eine Kanalöffnung als Einlassventil und eine Kanalöffnung als Auslassventil ausgebildet sein. Es ist weiterhin denkbar, dass die jeweilige Kanalöffnung als Einlasssowie als Auslassventil ausgebildet sein kann. Die jeweilige Kanalöffnung kann dabei flexibel eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform können beispielsweise drei Kanalöffnungen im Zylinderkolben angeordnet sein, wobei beispielsweise zwei Kanalöffnungen als Einlassventil, und eine Kanalöffnung als Auslassventil ausgebildet sind. Das Auslassventil kann beispielsweise einen geringeren Querschnitt als ein Einlassventil aufweisen, da insbesondere ein großflächiger Lufteinlass gewährleistet werden soll. Es ist ebenso denkbar, dass mehr als drei Kanalöffnungen bzw. Bohrungen in dem Zylinderkolben angeordnet sind. Die Summe der Querschnitte der Kanalöffnungen sollte dabei derart gewählt sein, dass die mechanische Stabilität des Zylinderkolbens an sich nicht geschwächt wird. Dabei können die Kanalöffnungen an einer beliebigen Position im Zylinderkolben angeordnet sein. Bevorzugt sind die Kanalöffnungen im Wesentlichen gleichbeabstandet zueinander umfangsmäßig entlang eines Innenumfangs angeordnet. Insbesondere können die beiden Einlassventile derart im Zylinderkolben angeordnet sein, dass ein bezüglich der Kolbenfläche im Wesentlichen ausgeglichener bzw. symmetrischer Lufteinlass gewährleistet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein biegeflexibles Abdichtelement innerhalb, oder die Kanalöffnung überdeckend, vorgesehen sein, das als reversible Rückschlagmembran eines Rückschlagventils ein Einströmen oder Ausströmen aus der zumindest einen Kanalöffnung ermöglicht. Für jede Kanalöffnung kann ein separates biegeflexibles Abdichtelement vorgesehen sein. Dadurch kann beispielsweise ermöglicht werden, dass bei Vorhandensein einer oder mehrerer Kanalöffnungen jede der Kanalöffnungen flexibel als Einlassventil oder als Auslassventil ausgebildet werden kann. Insbesondere kann das biegeflexible Abdichtelement flächig ausgebildet sein. Dabei kann beim Ausbilden eines Einlassventils oder eines Auslassventil das Abdichtelement aus der ebenen Lage ausgelenkt werden, und in Gegenrichtung an einer Anlagefläche anliegen und die Kanalöffnung abdichten. Bevorzugt ist das Abdichtelement derart reversibel, dass es sich nach der Auslenkung in die Ausgangslage, insbesondere von selbst, zurückstellt. Das Abdichtelement kann beispielsweise als flexible Membran, insbesondere reversible Rückschlagmembran, ausgebildet sein. Das Abdichtelement kann im Bereich der Kolbenfläche angeordnet sein. Ebenso kann das Abdichtelement mittig an einer beliebigen Position über den Querschnitt der Kanalöffnung angeordnet sein. Es ist ebenso denkbar, mehr als ein Abdichtelement innerhalb einer Kanalöffnung anzuordnen. Beispielsweise können zwei biegeflexible Abdichtelemente an beliebiger Position in einer jeweiligen Kanalöffnung angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein zusammenhängendes, insbesondere einteiliges, biegeflexibles Abdichtelement für die zumindest zwei oder mehreren Kanalöffnungen ein Einströmen in eine Kanalöffnung oder Ausströmen aus einer Kanalöffnung ermöglichen, wobei die zumindest zwei Öffnungen durch das biegeflexible Abdichtelement unabhängig voneinander als Einlassventil oder als Auslassventil ausgebildet werden können. Beim Vorliegen von beispielsweise zwei Kanalöffnungen kann ein biegeflexibles Abdichtelement einteilig derart ausgeformt sein, dass es zumindest zwei Kanalöffnungen überdeckt und beispielsweise den Abstand der beiden Kanalöffnungen sozusagen überspannt. Die Form des Abdichtelements kann im Bereich der Kanalöffnungen an die Querschnittsformen der Kanalöffnung angepasst sein. Im sonstigen Bereich, beispielsweise zwischen den beiden Kanalöffnungen, kann das Abdichtelement beliebig ausgeformt werden. Somit wird eine Montage des Abdichtelements zur Ausbildung von Rückschlagventilen vereinfacht. Bevorzugt kann das Abdichtelement im Bereich der Kanalöffnungen derart ausgeformt sein, dass ein Auslenken des Abdichtelements lediglich im Bereich der Kanalöffnungen, sowie bevorzugt unabhängige für jeden Bereich jeder Kanalöffnung, ermöglicht wird. Dabei ist vorteilhaft, wenn das Abdichtelement im übrigen Bereich schlank ausgebildet ist und in der Ruhelage verbleibt. Im Bereich der Kanalöffnungen kann das biegeflexible Abdichtelement beispielsweise als reversible Rückschlagmembran ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das biegeflexible Abdichtelement als Rückschlagmembran ausgebildet sein. Sind mehrere Kanalöffnungen vorhanden, kann für jede Kanalöffnung unabhängig die Richtung des Rückschlagventils ausgewählt werden. Dabei kann beispielsweise an jeder Kanalöffnung eine separate Rückschlagmembran angeordnet werden. Es ist weiterhin denkbar, für alle vorhandenen Kanalöffnungen eine zusammenhängende Membran auszubilden, die jede der Kanalöffnungen erreicht. Dabei sollten die Verbindungsbereiche, in welchen das Membran zwischen den Kanalöffnungen angeordnet ist, möglichst schlank bzw. unabhängig von der Geometrie der jeweiligen Kanalöffnung ausgebildet sein, sodass die Membran in diesem Bereich verbleiben kann, auch wenn ein Auslenken im Bereich zumindest einer Kanalbohrung erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das biegeflexible Abdichtelement über eine Halteplatte derart an die Kolbenfläche des Zylinderkolbens fixiert sein, insbesondere verpresst sein, dass eine Schließ- oder Öffnungsbewegung des biegeflexiblen Abdichtelements im Bereich der Kanalöffnung ermöglicht wird. Die Halteplatte kann bevorzugt dafür dienen, dass das biegeflexible Abdichtelement, beispielsweise eine Membran, im Bereich zwischen den Kanalöffnungen eben verbleibt, auch wenn das Abdichtelement im Bereich zumindest einer Kanalöffnung ausgelenkt wird und einen Luftdurchlass ermöglicht. Die Halteplatte kann beispielsweise im Bereich zwischen den Kanalöffnungen angeordnet sein. Bevorzugt ist die Halteplatte eben sowie in Form eines Blechs ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Halteplatte eine geringe Dicke aufweist. Die Halteplatte kann beispielsweise mit dem Zylinderkolben verschraubt werden, und die Kolbenfläche im Wesentlichen überdecken. Dies kann ermöglicht werden, indem die Halteplatte auf die Kolbenfläche aufgeschraubt wird. Es ist weiterhin denkbar, dass die Halteplatte mit dem Abdichtelement und das Abdichtelement mit der Kolbenfläche zumindest teilweise verklebt werden. Weiterhin ist denkbar, dass die Halteplatte an den Zylinderkolben angeschweißt wird. Die Halteplatte kann beispielsweise mehrteilig ausgebildet sein, sodass alle Bereiche zwischen den vorhandenen Kanalöffnungen erreicht werden können. Bevorzugt liegen die Elemente in der Reihenfolge Zylinderkolben, flexibles Abdichtelement, Halteplatte aufeinander.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Halteplatte im Bereich der zumindest einen Kanalöffnung eine Aussparung aufweisen, die je nach Funktion der Kanalöffnung als Einlassventil oder Auslassventil einen unterschiedlichen Durchmesser aufweist, um einen Durchmesser einer Einlassöffnung des Einlassventil oder einen Durchmesser eines Anschlagrings des Auslassventils auszubilden. Ist der Durchmesser einer Aussparung in der Halteplatte beispielsweise größer als der Durchmesser einer Kanalöffnung ausgebildet, kann das Abdichtelement durch die Aussparung in die Richtung der Halteplatte hindurch ausgelenkt werden. Dadurch kann eine Ventilrichtung bereitgestellt werden, die beispielsweise ein Einlassventil ausbildet. Ist hingegen der Durchmesser einer Aussparung in der Halteplatte kleiner als der Durchmesser einer Kanalöffnung ausgebildet, kann das Abdichtelement durch Auslenken in Richtung der Halteplatte die Kanalöffnung abdichten und nicht freilegen und ein Auslassventil ausbilden. Folglich kann dadurch eine Art Anschlagring für das Abdichtelement ausgebildet werden. Eine derartige Kanalöffnung kann folglich kein Einlassventil mit einer Ventilrichtung zu dem zuvor beschriebenen Fall darstellen. Die Kanalöffnung könnte hingegen ein Auslassventil ausbilden, wobei ein Auslenken des Abdichtelements weg von der Halteplatte ermöglicht werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine Aussparung in der Kolbenfläche ermöglicht werden, um ein Auslenken des Abdichtelements in Richtung zur Kolbenfläche zu ermöglichen. Die Aussparung könnte dabei eine vergleichbare Dimension wie eine Aussparung in der Halteplatte aufweisen, insbesondere dann wenn die beiden Kanalöffnungen die gleichen Querschnitte und/oder die gleichen Durchmesser besitzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Halteplatte eine ringförmig hervorstehende Außenberandung aufweisen, die eine abgestufte Außenkontur des Zylinderkolbens formschlüssig umgreift, und bevorzugt in einer, in der abgestuften Außenkontur liegenden, Topfmanschette aufgenommen werden. Dadurch kann beispielsweise die Halteplatte mit dem Zylinderkolben verpresst werden. Die Befestigung der Halteplatte an der Zylinderkolben kann weiterhin über eine Topfmanschette erfolgen, die eine Art Außenberandung der Halteplatte ausbilden kann, um ein Verschieben der Halteplatte in Längs bzw. Querrichtung, d. h. parallel zur Kolbenfläche, zu unterbinden. Durch zusätzliches Aufschrauben der Halteplatte auf den Zylinderkolben kann die Topmanschette zwischen den Zylinderkolben und die Halteplatte formschlüssig verklemmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Zylinderkolben auf einer Oberfläche zumindest um die Kanalöffnung eine Vertiefung mit einer Tiefe t1 aufweisen. In dieser Vertiefung kann beispielsweise das flexible Abdichtelement, insbesondere ein Membran, eingelegt werden. Dadurch kann die Position des Abdichtelements auf der Kolbenfläche gegenüber einem parallelen Verschieben zu der Kolbenfläche gesichert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das biegeflexible Abdichtelement an eine Form der Vertiefung angeglichen sein, wobei insbesondere die Tiefe t1 der Vertiefung einer Dicke t2 des biegeflexiblen Abdichtelements entspricht, und bevorzugt ein Berandungsbereich einer als Auslassventil dienenden Kanalöffnung mit einer größeren Tiefe in Richtung des Auslasskanals vorgesehen sein kann, um einen Ventilklappenbewegungsraum des biegeflexiblen Abdichtelements bereitzustellen, oder der Durchmesser der Aussparung des Auslassventils zumindest im Bereich der Kanalöffnung derart groß ausgebildet sein kann, um einen Ventilklappenbewegungsraum bereitzustellen. Wenn die Tiefe der Vertiefung einer Dicke des biegeflexiblen Abdichtelements entspricht, kann das Abdichtelement quasi in der Vertiefung versenkt werden. Bei Auflegen einer Halteplatte kann diese vollflächig auf dem Abdichtelement sowie auf der Kolbenfläche aufliegen, auch wenn die Halteplatte eben ausgebildet ist. Soll ein Auslenken des Abdichtelements nicht in Richtung der Halteplatte, sondern in Richtung der Kolbenfläche ermöglicht werden, ist es vorteilhaft, wenn die Vertiefung mit Tiefe t1 in dem Bereich zumindest bereichsweise tiefer als die Dicke t2 des biegeflexiblen Abdichtelements ausgebildet ist. So kann das Abdichtelement in Richtung der Vertiefung ausgelenkt werden und das Ventil in der Kanalöffnung öffnen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das biegeflexible Abdichtelement fingerförmig ausgebildet sein und eine Fingeranzahl mit Fingerenden umfassen, die der Anzahl der Kanalöffnungen entspricht, wobei die Fingerenden die zumindest eine Kanalöffnung, insbesondere die mehr als zwei Kanalöffnungen, als Rückschlag eines Rückschlagventils erreichen und überdecken können. Bevorzugt ist dabei das Abdichtelement im Bereich der Kanalöffnung, d. h. im Bereich der Fingerenden, mit einer größeren Abmessung als in den Bereichen zwischen den Kanalöffnungen, d. h. in den Verbindungsbereichen, ausgebildet. So können die Verbindungsbereiche zwischen zumindest zwei Kanalöffnungen, die sozusagen die Finger ausbilden, schlanker ausgebildet sein als die Fingerenden, die sich im Bereich der Kanalöffnungen befinden. Die Fingerenden können die Form der Kanalöffnungen aufweisen, jedoch mit einem vergrößerten Querschnitt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das biegeflexible Abdichtelement im Bereich der Kanalöffnung in eine ausreichende Flexibilität aufweist und beispielsweise auch als reversibles Rückschlagmembran wirken bzw. ausgebildet sein kann.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Zylinder mit zumindest einem erfindungsgemäßen Zylinderkolben.
Es wird vorgeschlagen, dass je nach Luftverhältnis ein Einströmen von Luft oder ein Ausströmen von komprimierter Luft durch das Einlassventil bzw. Auslassventil der entsprechenden Kanalöffnung erfolgt. Für den Zylinder mit dem zumindest einen Zylinderkolben gelten dieselben Merkmale sowie Vorteile, die bereits bezüglich des Zylinderkolbens beschrieben wurden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Zylinders kann der zumindest eine Zylinderkolben drei Kanalöffnungen aufweisen, wobei zwei Kanalöffnungen als Einlassventile und eine Kanalöffnung als Auslassventil ausgebildet sein können. Die beiden Einlassventile können jeweils einen größeren Durchmesser als das Auslassventil aufweisen. Bevorzugt sind die Einlassventile derart im Zylinderkolben angeordnet, dass ein bezüglich der Kolbenfläche bzw. bezüglich des Durchmessers des Zylinderkolbens symmetrische Einströmung durch die Einlassventil erfolgen kann.
In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Luftkompressor nach einem Kolbenkompressorprinzip vorgeschlagen, wobei der Zylinder nach der vorgenannten Ausführungsform mit einem Zylinderkolben mit integrierter Kanalöffnung als Ein- und/oder Auslassventil von Luft in einem Verdichtungsraum des Zylinders ausgebildet ausgeführt ist.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungen und Zeichnungsbeschreibungen. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderkolbens in einer Explosionsdarstellung;
2 eine weitere Darstellung der Ausführungsform aus 1 in einer um 180° gedrehten Ansicht;
3 eine weitere Darstellung der Ausführungsform aus 1 in einer isometrische Darstellung ohne Halteplatte sowie teilweise geschnitten;
4 die Darstellung aus 3 mit Halteplatte;
5 eine weitere Ansicht der Ausführungsform aus 1 in einer Seitenansicht;
6 eine Schnittdarstellung aus 5.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderkolbens 10 in einer Explosionsdarstellung. Am oberen Bildrand ist der Zylinderkolben 10 dargestellt, welcher drei Kanalöffnungen 12a, 12b, 12c aufweist. Die beiden Kanalöffnungen 12a, 12b sind identisch ausgebildet, während die dritte Kanalöffnung 12c einen geringeren Durchmesser besitzt. Die Kanalöffnungen 12a, 12b, 12c verlaufen dabei von der Kolbenfläche 11 im Wesentlichen senkrecht durch den Zylinderkolben 10 hindurch. Senkrecht bedeutet im diesem Fall im Wesentlichen parallel zu einer Bewegungsrichtung des Zylinderkolbens 10 in einem Zylinder (nicht dargestellt). Die Darstellung zeigt weiterhin eine Kolbenführungsring 36 der in eine Vertiefung auf der umfangsmäßigen Seitenwand des Zylinderkolbens 10 angeordnet ist. Ein biegeflexibles Abdichtelement 22 ist in dieser Ausführungsform fingerförmig ausgebildet und weist drei Fingerenden 34 auf, die zu den Positionen der Kanalöffnungen 12a, 12b, 12c korrespondieren. Dabei können die drei Fingerenden 34 im eingebauten Zustand auf der jeweiligen Kanalöffnung 12a, 12b, 12c als Rückschlagmembran 24 dienen. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Topfmanschette 38, die im eingebauten Zustand zwischen einer Halteplatte 26 und dem Zylinderkolben 10 angeordnet werden kann. Die Halteplatte 26 weist dabei eine ringförmig hervorstehende Außenberandung 50 auf, die im eingebauten Zustand in die Topfmanschette 38 eingreift und von dieser formkongruent gehalten wird. Die Halteplatte 26 wird in dieser Ausführungsform über drei Fixierschrauben 40 auf den Zylinderkolben 10 aufgeschraubt. Um Ventile in den Kanalöffnungen 12a, 12b, 12c auszubilden, ist jeweils eine Aussparung 28 an der Position in der Halteplatte 26 angeordnet, an welcher sich eine Kanalöffnung 12a, 12b, 12c befindet. Die Aussparungen 28 weisen für die beiden Einlassventile 14 den Durchmesser d1 auf. Für das Auslassventil 16 besitzt die Aussparungen 28 den Durchmesser d2, der kleiner als der Durchmesser d1 ist. Durch die Größe der Durchmesser d1 wird ein Auslenken des biegeflexiblen Abdichtelements 22 durch die Aussparungen 28 hindurch ermöglicht. So können die beiden Einlassventile 14 ausgebildet werden. Die Aussparungen 28 mit dem Durchmesser d2 sperrt hingegen ein Auslenken des biegeflexiblen Abdichtelements 22 in Richtung der Aussparung 28 bzw. in Richtung der Halteplatte 26 und definiert dabei einen Anschlagring. Das biegeflexible Abdichtelement 22 am Fingerende 34 der Kanalöffnung 12c kann sich folglich nur in Richtung der Kolbenfläche 11 auslenken, in der hierfür eine entsprechende Ausnehmung als Ventilklappenbewegungsraum ausgebildet ist. Bevorzugt ist eine genügende Vertiefung in der Kolbenfläche 11 (in dieser perspektivischen Ansicht nicht sichtbar) ausgebildet. Folglich kann die Kanalöffnung 12c ein Auslassventil 16 ausbilden, durch welches Luft in entgegengesetzte Richtung bezüglich der beiden Einlassventile 14 hindurch strömen kann. In dieser Darstellung kann in Richtung der Pfeilrichtung eine erste Verdichterstufe 18a und eine zweite Verdichterstufe 18b eines zweistufigen Kolbenkompressors angeordnet sein. Insbesondere kann der Kolbenkompressor zur Versorgung eines Fahrzeug-Druckluftsystems, insbesondere für ein Luftfedersystem, Bremssystem etc. dienen.
Eine weitere Darstellung der Ausführungsform aus 1 in einer um 180° gedrehten Ansicht ist in 2 dargestellt. Im Unterschied zu der Darstellung in 1 ist die zweite Verdichterstufe 18b im oberen Bereich der Darstellung, und die erste Verdichterstufe 18a im unteren Bereich der Darstellung dargestellt. Folglich kann in dieser Explosionsdarstellung die Oberfläche 30 der Kolbenfläche direkt betrachtet werden. Dadurch ist die Vertiefung 32 mit Tiefe t1 gut erkennbar. In dieser Ausführungsform ist die Vertiefung 32 äquivalent zum biegeflexiblen Abdichtelement 22 mit der Dicke t2 fingerförmig ausgebildet. Die Fingerenden 34 der sozusagen drei Finger sind quasi an den Ecken eines virtuellen Dreiecks angeordnet. Im Bereich der Fingerenden 34 ist die Vertiefung 32 im Querschnitt erweitert, sodass durch die Vertiefung 32 im Bereich um die jeweilige Kanalöffnung 12a, 12b, 12c ein vertiefter Bereich ausgebildet wird. In einem Verbindungsbereich zwischen den Kanalöffnungen 12a, 12b, 12c ist die Vertiefung 32 mit einem verringerten Querschnitt ausgebildet. So können sich die Fingerenden 34 des biegeflexiblen Abdichtelements 22 flexibel aus der Ruhelage Auslenken und eine Rückschlagmembran 24 ausbilden. Durch die Vertiefung 32 wird insbesondere ein Ventilklappenbewegungsraum um die Kanalöffnung 12c bereitgestellt. Für die beiden Einlassventile 14 wird der Ventilklappenbewegungsraum durch die Aussparungen 28 in der Halteplatte 26 ausgebildet, durch welche Durchtrittsöffnungen 44 entstehen. Für das Auslassventil 16, bei welchem sich das Rückschlagventil in Gegenrichtung zum Rückschlagventil am Einlassventil 14 ausbilden muss, wird der Ventilklappenbewegungsraum durch eine Erweiterung der Vertiefung 32 in der Kolbenfläche 11 um die Kanalöffnung 12c bereitgestellt. Dadurch kann sich das Fingerende 34 des biegeflexiblen Abdichtelements 22 beim Auslassventil 16 in Richtung der Kolbenfläche 11 aus einer Ruhelage auslenken, und eine Rückschlagmembran 24 ausbilden. Eine Bewegung des biegeflexiblen Abdichtelements 22 in Richtung der Halteplatte 26 wird dadurch unterbunden, dass die Aussparung 28 im Bereich des Auslassventils 16 einen geringeren Durchmesser d2 als die Aussparrungen 28 mit Durchmesser d1 für die Einlassventile 14 aufweist, sodass ein Anschlagring 46 entsteht. Die Tiefe t1 der Vertiefung 32 kann dabei der Dicke t2 des biegeflexiblen Abdichtelements 22 entsprechen, sodass bei Aufbringen der Halteplatte 26 diese vollflächig auf dem biegeflexiblen Abdichtelement 22 sowie auf der Kolbenfläche 11 aufliegt. Die weiteren Merkmale stimmen mit denen überein, sie bereits bezüglich 1 diskutiert wurden. Darum wird an dieser Stelle auf diese Merkmale nicht weiter eingegangen.
3 zeigt eine weitere Darstellung der Ausführungsform aus 1 in einer isometrischen Darstellung ohne Halteplatte 26 und ohne biegeflexibles Abdichtelement 22 sowie teilweise geschnitten. Die Darstellung entspricht quasi der Ausführungsform aus 2, wobei diese nicht in Form einer Explosionszeichnung dargestellt ist. Des Weiteren ist die Darstellung teilweise geschnitten abgebildet, sodass die beiden Kanalöffnungen 12a, 12c im Längsschnitt sichtbar sind. Die Darstellung zeigt die Situation vor Aufbringung des biegeflexiblen Abdichtelements 22 sowie vor Aufbringung der Halteplatte 26. Dadurch ist die Oberfläche 30 der Kolbenfläche 11 sichtbar. Lediglich zur Veranschaulichung sind die Fixierschrauben 40 bereits abgebildet. Das biegeflexible Abdichtelement 22 kann anschließend in die Vertiefung 32 eingelegt werden. Dabei kann die Dicke t2 des biegeflexiblen Abdichtelements 22 der Tiefe t1 der Vertiefung 32 entsprechen, sodass das biegeflexible Abdichtelement 22 an der Oberseite bündig mit der Kolbenfläche 11 abschließt.
Die Darstellung aus 3 mit Halteplatte 26 sowie mit biegeflexiblem Abdichtelement 22 ist in 4 gezeigt. Dabei ist gut erkennbar, dass das biegeflexible Abdichtelement 22 der Form der Vertiefung 32 entspricht. Des Weiteren ist sehr gut erkennbar, dass die Aussparung 28 an der Kanalöffnung 12a größer als das Fingerende 34 ausgebildet ist, sodass sich das biegeflexible Abdichtelement 22 im Bereich des Fingerendes 34 aus der Ruhelage in der Darstellung nach oben bewegen kann. Dadurch kann ein Einlassventil 14 ausgebildet werden. Im Bereich der Kanalöffnung 12c ist die Aussparung 28 hingegen derart klein ausgebildet, dass das biegeflexible Abdichtelement 22 im Bereich des Fingerendes 34 in der Darstellung im oberen Bereich von der Halteplatte 26 berührt wird. Dadurch wird eine Auslenkung des biegeflexiblen Abdichtelements 22 in eine Richtung in der Darstellung nach oben verhindert. Es ist daher möglich, durch eine Vertiefung auf der Kolbenfläche 11 einen Ventilklappenbewegungsraum derart auszubilden, dass eine Auslenkung des biegeflexiblen Abdichtelements 22 aus einer Ruhelage in der Darstellung nach unten ermöglicht wird. Dadurch kann ein Auslassventil 16 ausgebildet werden, welches eine Strömungsrichtung entgegen der Strömungsrichtung im Einlassventil 14 zulässt. Der Ventilklappenbewegungsraum ist in dieser Darstellung nicht abgebildet. Weiterhin ist erkennbar, dass die Halteplatte 26 eine ringförmig bevorstehende Außenberandung 50 aufweist, die eine abgestufte Außenkontur 48 des Zylinderkolbens formschlüssig umgreift. Des Weiteren ist zwischen der Halteplatte 26 und der Kolbenfläche 11 eine Topfmanschette 38 angeordnet die.
5 zeigt eine weitere Ansicht der Ausführungsform aus 1 in einer Seitenansicht. Dabei ist die Anordnung des Kolbenführungsrings 36 sowie der Topfmanschette 38 erkennbar. An der Unterseite sowie Oberseite der Darstellung ist der Zylinderkolben 10 eben ausgebildet. An der Unterseite stehen folglich weder die Fixierschrauben 40 sowie sonstige Bauelemente über die Halteplatte 26 über.
Eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus 5 ist in 6 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die Kanalöffnungen 12 über die Länge mit einem konstanten Querschnitt ausgebildet sind. Der Schnitt ist derart geführt, dass das biegeflexible Abdichtelement 22 teilweise im Verbindungsbereich zwischen den beiden Kanalöffnungen 12 geschnitten dargestellt ist. Dadurch erscheint das biegeflexible Abdichtelement 22 unsymmetrische um den Bereich der Kanalöffnungen 12.
Die Darstellungen zeigen lediglich eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zylinderkolbens 10. Dieser ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Abweichend von der dargestellten Ausführungsform ist beispielsweise denkbar, lediglich eine Kanalöffnung 12, zwei Kanalöffnungen 12 oder mehr als drei Kanalöffnungen 12 in dem Zylinderkolben 10 anzuordnen. Ebenso kann die Form des biegeflexiblen Abdichtelements 22 von der dargestellten Geometrie abweichen. So könnte das biegeflexible Abdichtelement 22 mehrteilig ausgebildet sein. Ebenso können die Querschnittsform sowie die Anordnung der Kanalöffnungen 12 variieren und von der dargestellten Ausführungsform abweichen.
Bezugszeichenliste

10: Zylinderkolben
11: Kolbenfläche
12: Kanalöffnung
12a: Kanalöffnung
12b: Kanalöffnung
12c: Kanalöffnung
14: Einlassventil
16: Auslassventil
18a: erste Verdichterstufe
18b: zweite Verdichterstufe
20: Rückschlagventil
22: biegeflexibles Abdichtelement
24: Rückschlagmembran
26: Halteplatte
28: Aussparung
30: Oberfläche
32: Vertiefung
34: Fingerenden
36: Kolbenführungsring
38: Topfmanschette
40: Fixierschraube
42: Loch für Fixierschraube
44: Durchtrittsöffnung
46: Anschlagring
48: abgestufte Außenkontur des Zylinderkolbens
50: ringförmig hervorstehende Außenberandung der Halteplatte
t1: Tiefe der Vertiefung
t2: Dicke des biegeflexiblen Abdichtelements
d1: Durchmesser der Aussparung des Einlassventils / Einlassöffnung
d2: Durchmesser der Aussparung des Auslassventils / Anschlagring

Claims

Zylinderkolben (10) für einen Luftkompressor, insbesondere für einen zweistufigen Luftkompressor, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kolbenfläche (11) des Zylinderkolbens (10) zumindest eine Kanalöffnung (12) integriert ist, die als ein Einlassventil (14) und/oder als ein Auslassventil (16) von Luft in einem Verdichtungsraum des Zylinders ausgebildet ist.
Zylinderkolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kanalöffnung (12) eine Verbindung zwischen einer ersten Verdichterstufe (18a) und einer zweiten Verdichterstufe (18b) eines zweistufigen Luftkompressors, oder eine Verbindung zu einem Luftansaugbereich, oder eine Verbindung zu einem Druckluftausgang, bereitstellt.
Zylinderkolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kanalöffnung (12) als Rückschlagventil (20) ausgebildet ist.
Zylinderkolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Kanalöffnung (12a, 12b, 12c), insbesondere zwei oder drei Kanalöffnungen (12a, 12b, 12c), in dem Zylinderkolben (10) integriert sind, die jeweils als ein Einlassventil (14) oder als ein Auslassventil (16) ausgebildet sind.
Zylinderkolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein biegeflexibles Abdichtelement (22) innerhalb, oder die Kanalöffnung (12) überdeckend, vorgesehen ist, das als reversible Rückschlagmembran (24) eines Rückschlagventils (20) ein Einströmen oder Ausströmen aus der zumindest einen Kanalöffnung (12) ermöglicht.
Zylinderkolben (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusammenhängendes, insbesondere einteiliges, biegeflexibles Abdichtelement (22) für die zumindest zwei oder mehreren Kanalöffnungen (12a, 12b, 12c) ein Einströmen in eine Kanalöffnung (12a, 12b, 12c) oder Ausströmen aus einer Kanalöffnung (12a, 12b, 12c) ermöglicht, wobei die zumindest zwei Kanalöffnungen (12) durch das biegeflexible Abdichtelement (22) unabhängig voneinander als Einlassventil (14) oder als Auslassventil (16) ausgebildet werden können.
Zylinderkolben (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das biegeflexible Abdichtelement (22) als Rückschlagmembran (24) ausgebildet ist.
Zylinderkolben (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das biegeflexible Abdichtelement (22) über eine Halteplatte (26) derart an die Kolbenfläche (11) des Zylinderkolbens (10) fixiert ist, insbesondere gepresst ist, dass eine Schließ- oder Öffnungsbewegung des biegeflexiblen Abdichtelements (22) im Bereich der Kanalöffnung (12) ermöglicht wird.
Zylinderkolben (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (26) im Bereich der zumindest einen Kanalöffnung (12) eine Aussparung (28) aufweist, die je nach Funktion der Kanalöffnung (12) als Einlassventil (14) oder Auslassventil (16) einen unterschiedlichen Durchmesser (d1, d2) aufweist, um einen Durchmesser einer Einlassöffnung (d1) des Einlassventils (14) oder einen Durchmesser eines Anschlagrings (d2) des Auslassventils (16) auszubilden.
Zylinderkolben (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (26) eine ringförmig hervorstehende Außenberandung (50) aufweist, die eine abgestufte Außenkontur (48) des Zylinderkolbens formschlüssig umgreift, und bevorzugt in einer, in der abgestuften Außenkontur (48) liegenden, Topfmanschette (38) aufgenommen ist.
Zylinderkolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkolben (10) auf einer Oberfläche (30) zumindest um die Kanalöffnung (12) eine Vertiefung (32) mit einer Tiefe (t1) aufweist.
Zylinderkolben (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das biegeflexible Abdichtelement (22) an eine Form der Vertiefung (32) angeglichen ist, wobei insbesondere die Tiefe (t1) der Vertiefung (32) einer Dicke (t2) des biegeflexiblen Abdichtelements (22) entspricht, und bevorzugt ein Berandungsbereich einer als Auslassventil (16) dienenden Kanalöffnung (12a, 12b, 12c) mit einer größeren Tiefe in Richtung des Auslasskanals vorgesehen ist, um einen Ventilklappenbewegungsraum des biegeflexiblen Abdichtelements (22) bereitzustellen, oder der Durchmesser (d2) des Aussparung des Auslassventils (16) zumindest im Bereich der Kanalöffnung (12a, 12b, 12c) derart groß ausgebildet ist, um einen Ventilklappenbewegungsraum bereitzustellen.
Zylinderkolben (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das biegeflexible Abdichtelement (22) fingerförmig ausgebildet ist und eine Fingeranzahl mit Fingerenden (34) umfasst, die der Anzahl der Kanalöffnungen (12a, 12b, 12c) entspricht, wobei die Fingerenden (34) die zumindest eine Kanalöffnung (12), insbesondere die mehr als zwei Kanalöffnungen (12a, 12b, 12c), als Rückschlagmembran (24) eines Rückschlagventils (20) erreichen und überdecken.
Zylinder mit zumindest einem Zylinderkolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Luftverhältnis ein Einströmen von Luft oder ein Ausströmen von komprimierter Luft durch das Einlassventil (14) bzw. Auslassventil (16) der entsprechenden Kanalöffnung (12) erfolgt.
Zylinder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zylinderkolben (10) drei Kanalöffnungen (12a, 12b, 12c) aufweist, wobei zwei Kanalöffnungen (12a, 12b) als Einlassventil (14) und eine Kanalöffnung (12c) als Auslassventil (16) ausgebildet sind.
Luftkompressor, insbesondere zweifstufiger Luftkompressor, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinder nach einem der Ansprüch 14 oder 15 umfasst ist.