DE202004007708U1

DE202004007708U1 - Verdichter

Info

Publication number: DE202004007708U1
Application number: DE200420007708
Authority: DE
Original assignee: Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2014-05-14

Abstract

Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter, mit einem eine Triebwerkskammer (4) begrenzenden Gehäuse (1), einem Zylinderblock (2), in dem mindestens ein Kolben hin- und herlaufend gelagert ist, und einem Zylinderkopf (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (2) an wenigstens einer Stirnseite (5, 7) einen sich über diese axial hinauserstreckenden Umfangsrand (6, 11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen Axialkolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter, die mindestens einen Kolben aufweisen und von einem oder mehreren Gehäusebauteilen begrenzt sind, sind wohlbekannt. Sie finden beispielsweise in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen oder in anderweitigen Kälteanlagen Verwendung. Oftmals wird die Leistung von Axialkolbenverdichtern mittels einer Änderung des Kolbenhubs geregelt, wobei der Kolbenhub, der durch das Verhältnis der Drücke an beiden Seiten des einen oder der mehreren Kolben bestimmt ist, üblicherweise über ein Regelventil, mit dem das Druckverhältnis gezielt beeinflußbar ist, steuerbar ist.
Insbesondere bei der Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage werden häufig Axialkolbenverdichter verwendet, wobei jedoch auch andere Verdichterbauformen, wie z.B. Scrollverdichter zum Einsatz kommen. Der Kältemittelverdichter hat die Aufgabe, das Kältemittel aus einem Wärmeübertrager (Verdampfer), in dem es unter Wärmeaufnahme verdampft, abzusaugen und auf einen höheren Druck zu verdichten, so daß in einem weiteren Wärmeübertrager (z.B. Verflüssiger oder Gaskühler im überkritischen Bereich) die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau wieder abgegeben werden kann. Kältemittelverdichter, die dem Stand der Technik entsprechen, werden gegenwärtig üblicherweise mit R134a als Kältemittel betrieben. Die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Verdichtern, insbesondere für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, die mit CO₂ als Kältemittel betrieben werden können, steht momentan im Brennpunkt des Interesses, da CO₂ eines der umweltfreundlichsten Kältemittel darstellt.
Beim Einsatz von CO₂ als Kältemittel ist jedoch zu berücksichtigen, daß dieses eine deutlich höhere Dichte als R134a aufweist und ein entsprechender Verdichter für deutlich höhere Drücke als ein Verdichter zur Verwendung mit R134a ausgelegt sein muß.
Der Verdichter wird üblicherweise mechanisch von einem Fahrzeugmotor über einen Keilriemen angetrieben, wobei hochbelastete Triebwerksteile wie z.B. Wellen, Lager, aber auch Schrauben, Ventile und eine Ventilplatte bei herkömmlichen Verdichtern aus Stahlwerkstoffen ausgeführt sind. Um jedoch möglichst leichte Verdichter bereitstellen zu können, deren geringes Gewicht sich insbesondere bei Kraftfahrzeugen vorteilhaft auswirkt, ist es unüblich, Gehäuseteile aus Stahl herzustellen. Gehäuseteile werden nach dem Stand der Technik meist aus Aluminiumlegierungen hergestellt.
Da CO₂ wie vorstehend erwähnt ein Hochdruckkältemittel darstellt, d.h. daß der Verdichter bzw. dessen Bauteile deutlich höheren Drücken als beispielsweise bei R134a ausgesetzt sind, sind Stahlwerkstoffe auch für Gehäuseteile vorgeschlagen und diskutiert worden, um die geforderten Berstdrücke bei geringen Wandstärken zu erreichen.
So ist beispielsweise aus der DE 198 33 604 A1 ein Verdichter bekannt, dessen Gehäuse aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt ist. Als Werkstoffe kommen gemäß der DE 198 33 604 A1 vor allem hochfeste Stähle in Frage, wobei auch andere Werkstoffe denkbar sind, wie z.B. eine Bronzelegierung oder Titan.
Der in der DE 198 33 604 A1 vorgeschlagene Kompressor ist aufgrund seines hochfesten Gehäuses geeignet, die Berstdrücke, Prüfdrücke und Betriebsdrücke, die in einem mit CO₂ als Kältemittel betriebenen Verdichter auftreten, zu beherrschen, jedoch ist das Gewicht des entsprechenden Verdichters aufgrund der verwendeten Gehäusematerialien relativ hoch. Das hohe Gewicht trifft vor allem im Falle von Stahlgehäusen und Gehäusen aus einer Bronzelegierung zu, während Titangehäuse zwar leichter aber in der Herstellung extrem teuer sind. Gehäuse aus den vorgenannten Werkstoffen haben ferner die Eigenschaft, daß sie, insbesondere im Vergleich zu Aluminium, nur sehr schwer bearbeitbar sind. Dies führt dazu, daß Kompressoren gemäß der DE 198 33 604 A1 in der Herstellung kostenaufwendig sind und das Fahrzeug-Gesamtgewicht erhöhen, was, insbesondere in Zusammenwirken mit anderen Fahrzeugkomponenten hohen Gewichts und in der heutigen Zeit, in der Fahrzeuge eine zunehmend komplexer werdende Ausstattung aufweisen, sowohl zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch als auch zu einer verminderten möglichen Zuladung führt.
Aus der DE 102 50 591 A1 ist ein in 7 dargestellter Verdichter bekannt, der ein Gehäuse 101 aufweist, das sich über einen Zylinderblock 102 hinweg erstreckt. Ferner weist der Verdichter einen Zylinderkopf 103 auf, der an einer Stirnseite des Zylinderblocks angeordnet ist. Das Gehäuse 101 definiert eine Triebwerkskammer 104, in der ein Kolbenantriebsmechanismus angeordnet ist. Auch dieser Verdichter weist ähnliche Nachteile wie der vorbeschriebene Verdichter auf.
Alternativ wird in der DE 102 50 591 A1 ein Verdichter vorgeschlagen, der kein einstückig gefertigtes Gehäuse umfaßt, sondern aus einem ersten topfförmigen Gehäuseteil und einem Zylinderblock zusammengesetzt ist, wobei der Zylinderblock den die Triebwerkskammer stirnseitig begrenzenden zweiten Gehäuseteil definiert. Die Trennebene zwischen diesen beiden Gehäuseteilen liegt auf Höhe der der Triebwerkskammer zugewandten Stirnseite des Zylinderblocks. Der topfförmige Gehäuseteil ist bei dieser Ausführungsform kürzer gebaut als das einteilige Gehäuse gemäß der DE 102 50 591 A1 bzw. gemäß 7. Das einteilig und relativ lang ausgeführte Gehäuse in 7 verhält sich empfindlicher bezüglich hoher Innendrücke, da sich der lang ausgeführte Topfbereich leichter deformiert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die in Verdichtern bzw. Verdichterteilen auftretenden Biegespannungen zu reduzieren, wobei gleichzeitig eine Gewichtsreduktion von Verdichtern, die Kältemittel hoher Dichte verwenden, erreicht werden soll. Auch soll durch die erfindungsgemäße Konstruktion die Gehäuselänge auf ein Minimum im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei bevorzugte Weiterentwicklungen und Ausführungsformen in den Unteransprüchen beschrieben sind.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist es also, daß der Zylinderblock eines erfindungsgemäßen Verdichters an wenigstens einer Stirnseite einen sich über diese Stirnseite axial hinaus erstreckenden Umfangsrand aufweist. Durch diese Verlängerung des Zylinderblocks werden freie Längen angrenzender Gehäuseteile verkürzt, wodurch Biegespannungen, die durch den im Verdichter vorherrschenden Innendruck verursacht werden, entsprechend reduziert werden. Durch das vorgenannte konstruktive Merkmal können ferner Wandstärken reduziert werden, was zu einer schlankeren und gewichtssparenden Gehäuseauslegung führt.
Vorzugsweise ist der sich axial über die Stirnseite hinaus erstreckende Umfangsrand an der der Triebwerkskammer zugewandten Stirnseite des Zylinderblocks ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die axiale Verlängerung nicht mehr als 20 mm. Die axiale Verlängerung der Stirnseite des Zylinderblockes ist im Verhältnis zur Gehäusegesamtlänge relativ kurz. Dadurch kann der Zylinderblock immer noch steif ausgeführt werden. Die Kolbenverdrehsicherung und die axiale Verlängerung des Zylinderblockes ist dabei so abzustimmen, daß die Kolbenverdrehsicherung nicht über den Stoß läuft. Bei einer entsprechenden Ausführungsform erstreckt sich der sich axial über die Stirnseite hinaus erstreckende Umfangsrand um wenigstens etwa 10 %, vorzugsweise um etwa 15 % der axialen Erstreckung des Zylinderblocks, gemessen von Stirnseite zu Stirnseite des Zylinderblocks, oder noch weiter über die zur Triebwerkskammer hin gerichtete Stirnseite des Zylinderblocks hinaus. Durch diese Maßnahmen werden, wie bereits vorstehend erwähnt, die Biegespannungen reduziert, wobei bei einer Erstreckung im Rahmen der vorgenannten Prozentangaben ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen Fertigungsaufwand des Zylinderblocks und Reduktion der Biegespannungen gewährleistet ist. Eine Anordnung des Umfangsrandes an der Triebwerkskammer trägt dafür Sorge, daß das hohen Biegespannungen ausgesetzte Gehäuse der Triebwerkskammer entlastet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der sich axial über die Stirnseite hinaus erstreckende Umfangsrand an der dem Zylinderkopf zugewandten Stirnseite des Zylinderblocks ausgebildet. Vorzugsweise erstreckt sich der sich axial über die Stirnseite hinaus erstreckende Umfangsrand wenigstens um etwa 5 %, vorzugsweise um wenigstens etwa 10 % der axialen Erstreckung des Zylinderblocks, gemessen von Stirnseite zu Stirnseite, oder noch weiter über die zum Zylinderkopf hin gerichtete Stirnseite des Zylinderblocks, insbesondere etwa über die Höhe der Ventilplatte hinaus. Es ist auch denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, die axiale Erstreckung des Umfangsrandes so groß auszulegen, daß der Zylinderkopf als ebene Platte ausgeführt und innerhalb des erwähnten Umfangsrandes plaziert werden kann. Hierdurch kann eine Vereinfachung bzw. schlankere Gestalt des Zylinderkopfes gewählt werden, wobei die angegebenen Maße wiederum ein vorteilhaftes Verhältnis von Produktionskosten des Zylinderblocks und Gewichtsersparnissen des Zylinderkopfes gewährleisten.
Der Zylinderkopf ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mehr-, insbesondere zweiteilig ausgebildet. Dies stellt eine konstruktiv einfache Ausführung eines erfindungsgemäßen Verdichters sicher.
Vorzugsweise sind das Gehäuse, der Zylinderblock und der Zylinderkopf aus demselben Material, insbesondere aus Aluminium, gefertigt. Eine Fertigung eines Verdichters aus ein und demselben Material stellt sicher, daß im Produktionsablauf nur ein Material bearbeitet werden muß, was eine Ersparnis an Werkzeug und ggf. Maschinen bedeutet; Aluminium gewährleistet eine leichte Bearbeitbarkeit, sowie ein geringes Gewicht eines erfindungsgemäßen Verdichters.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind das Gehäuse, der Zylinderblock und der Zylinderkopf aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, wobei mindestens zwei verschiedene Materialien zum Einsatz kommen. Damit können die jeweiligen Bauteile aus einem ihrer Belastung Rechnung tragenden Material gefertigt werden. Der Zylinderblock, der bekanntlich ein massives Bauteil darstellt, ist vorzugsweise aus Aluminium gefertigt; das die Triebwerkskammer begrenzende Gehäuse sowie der Zylinderkopf können je nach Anforderung aus Stahl oder Aluminium gefertigt sein. Eine Fertigung des Gehäuses und/oder des Zylinderkopfes aus Stahl ermöglichen es, hohe, im Verdichter herrschende Drücke, beherrschbar zu machen.
Weist der Verdichter einen mehr-, insbesondere zweiteilig ausgebildeten Zylinderkopf auf, so ist bevorzugt ein Oberteil des Zylinderkopfes aus Aluminium gefertigt, während ein Unterteil desselben je nach der zu erwartenden Belastung aus Aluminium oder Stahl gefertigt ist. Die Vorteile der jeweiligen Materialien können den vorstehenden Erläuterungen entnommen werden.
Ein der Triebwerkskammer zugeordnetes Regelventil, mittels dessen sich beispielsweise bei Verdichtern mit variablem Kolbenhub das den Kolbenhub bestimmende Druckverhältnis an den beiden Seiten der Kolben beeinflussen läßt, ist vorzugsweise im Zylinderblock integriert, wobei sich das Regelventil dann sinnvoller Weise axial erstreckt. Wiederum steht ein einfacher Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdichters im Mittelpunkt dieser konstruktiven Maßnahme, wobei gerade im Fall der Verwendung eines Zylinderkopfes bzw. von Teilen des Zylinderkopfes aus Stahl sichergestellt ist, daß das Regelventil, das im allgemeinen Stufenbohrungen an der Stelle, an der es angebracht werden soll, voraussetzt, in einer einfachen Art und Weise integriert werden kann. Dies ist vor allem dadurch sichergestellt, daß der Zylinderblock aus Aluminium gefertigt und somit leicht bearbeitbar ist. Eine Solenoid-Spule, die dem Regelventil zugeordnet ist und der Betätigung des Regelventils dient, ist vorzugsweise außerhalb des Zylinderblocks angeordnet, wodurch eine leichte Austauschbarkeit im Falle eines Defektes gewährleistet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Regelventil durch den Zylinderkopf bzw. zumindest einen Teil des Zylinderkopfes in axialer Richtung im Zylinderblock gesichert. Eine Sicherung durch einen Sicherungsring oder anderweitige Maßnahmen, wie dies beim Stand der Technik nötig ist, entfällt. Ist das Regelventil zur Gehäuseseite hin eingebaut, so übernimmt vorzugsweise das Gehäuse die Sicherungsfunktion. Ist das Regelventil zur Zylinderkopfseite hin eingebaut, übernimmt der Zylinderkopf die Haltefunktion in axialer Richtung.
Der sich axial über die Stirnseite hinaus erstreckende Umfangsrand ist vorzugsweise mit inneren und/oder äußeren Versteifungen, insbesondere Versteifungsrippen, versehen. Dies stellt eine hohe Steifigkeit des Umfangsrandes sicher, womit die auftretenden Biegespannungen nochmals weiter reduziert werden können. In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform sind zwischen den einzelnen Zylinderbohrungen im Zylinderblock an der der Triebwerkskammer und/oder dem Zylinderkopf zugewandten Stirnseite Radial-Rippen ausgebildet. Diese erstrecken sich bevorzugt jeweils, betrachtet in Richtung der Längserstreckung des Umfangsrandes bzw. Umfangsränder, bis zu einer Flanschfläche. Dies stellt einen hohen Grad an Steifheit bei einem gleichzeitig einfachen Aufbau sicher. Die Radial-Rippen sind vorzugsweise integral mit dem Zylinderkopf als Gußteil hergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stützt sich eine Kolbenverdrehsicherung am Gehäuse und/oder an dem der Triebwerkskammer zugewandten Umfangsrand des Zylinderblocks ab. Damit wird sichergestellt, daß sich die Kolben nicht verdrehen können. Es ist darauf zu achten, daß die Kolbenverdrehsicherung sich nicht über den Gehäusestoß hinauserstreckt und dadurch Schaden nehmen könnte.
Der Zylinderblock und die diesem zugeordneten Kolben sind bevorzugt aus ein- und demselben Material gefertigt, um thermische Einflüsse auszuschalten; nachteilige Folgen unterschiedlicher, materialbedingter thermischer Ausdehnungskoeffizienten treten nicht auf.
Vorzugsweise sind die aus Aluminium gefertigten Teile aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Diese weist zwischen 0,15 Gew.-% und 4,5 Gew.-% Kupfer auf, wobei ein Kupfergehalt von zwischen 0,2 Gew.-% und 1,0 Gew.-% bevorzugt ist. Ferner kann die Legierung noch 0,2 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Nickel aufweisen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Legierung auch nur Kupfer oder nur Nickel in den vorstehend genannten prozentualen Anteilen umfassen kann.
Vorteilhafterweise sind in mindestens einem der Flanschbereiche des Zylinderkopfes, Gehäuses oder Zylinderblockes Nuten vorgesehen, die bestimmte Einrichtungen mit einem vorbestimmten Druckniveau versorgen. Eine solche Einrichtung ist beispiels weise das bereits vorstehend erwähnte Regelventil. Demnach kann in einfacher Art und Weise das Regelventil mit einem unter Druck stehenden Arbeitsfluid des Kompressors oder einem anderweitigen mit Druck beaufschlagten Fluid versorgt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Hinsicht auf weitere Vorteile und Merkmale beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters;
2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters;
3 einen Zylinderblock eines erfindungsgemäßen Verdichters in Schrägansicht;
4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer perspektivischen Seitenansicht;
5 die dritte Ausführungsform des Verdichters in Schnittansicht;
6 einen Detailausschnitt eines Zylinderblocks eines erfindungsgemäßen Verdichters;
7 eine erste Ausführungsform eines Verdichters gemäß dem Stand der Technik in Schnittansicht; und
Der Verdichter gemäß 1 weist ein Gehäuse 1, einen Zylinderblock 2, in dem mindestens ein Kolben hin- und herlaufend gelagert ist (nicht dargestellt) und einen Zylinderkopf 3 auf. Der Zylinderblock 2 weist an einer einer Triebwerkskammer 4 zugewandten Stirnseite 5 einen sich über die Stirnseite 5 axial hinaus erstreckenden Umfangsrand 6 auf. Der Umfangsrand 6 erstreckt sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel um etwa 15 % der axialen Erstreckung des Zylinderblocks (gemessen von der der Triebwerkskammer 4 zugewandten Stirnseite 5 des Zylinderblocks 2 bis zu einer dem Zylinderkopf 3 zugewandten Stirnseite 7 des Zylinderblocks 2) über die Stirnseite 5 hinaus. Die Länge des vorstehenden Teils des Umfangsrandes sind durch Pfeile 8, 9, die auf die axiale Begrenzung des Umfangsrandes deuten, angezeigt.
Die Verlängerung des Zylinderblocks in Form des Umfangsrandes 6 führt dazu, daß das (topfförmige) Gehäuse 1 anteilig reduziert wird. Dadurch wird eine freie Biegelänge am Gehäuse 1 reduziert, was zu einer Reduzierung der auftretenden Biegespannungen führt. Das Gehäuse 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Stahl gefertigt, während der Zylinderblock 2 aus Aluminium besteht. Dadurch ergibt sich neben dem Vorteil der reduzierten Biegespannungen auch ein Gewichtsvorteil, da das Gehäuse 1 aus Stahl verkürzt ist und der Verdichter dementsprechend weniger Gewicht hat. Bereits an dieser Stelle sei auf den Dichteunterschied zwischen Aluminium und Stahl verwiesen, der ungefähr 4,55 kg/dm³ beträgt, wobei nähere Ausführungen hinsichtlich der Gewichtsersparnis folgen.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters dargestellt, wobei Bezugszeichen, die bereits in 1 verwendet wurden, gleiche Teile bezeichnen. Auch der Verdichter gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel setzt sich aus einem Gehäuse 1, einem Zylinderblock 2 und einem Zylinderkopf 3 zusammen. Das Gehäuse 1 definiert eine Triebwerkskammer 4, wobei der Zylinderblock wiederum durch zwei Stirnseiten 5 und 7, nämlich eine der Triebwerkskammer 4 zugewandte Stirnseite 5 und eine dem Zylinderkopf zugewandte Stirnseite 7, begrenzt ist. Auch der Verdichter gemäß der 2 weist einen triebwerkskammerseitigen Umfangsrand 6 auf. Ferner weisen die beiden Verdichter einen im Zylinderkopf integrierten Ölabscheider 10 auf, auf dessen Funktion nicht näher eingegangen wird. Zusätzlich zu dem sich an der der Triebwerkskammer 4 zugewandten Stirnseite 5 des Zylinderblocks 2 hinaus erstreckenden Umfangrand 6 weist der Verdichter gemäß 2 noch einen sich axial über die dem Zylinderkopf 3 zugewandte Stirnseite 7 hinaus erstreckenden Umfangsrand 11 auf. Der Umfangsrand 11, dessen axiale Erstreckung wiederum durch Pfeile 12, 13 angezeigt ist, erstreckt sich bei der dargestellten Ausführungsform um etwa 10 % der axialen Erstreckung des Zylinderblocks 2 (wiederum gemessen von Stirnseite 5 zu Stirnseite 7) über die zum Zylinderkopf 3 gerichtete Stirnseite 7 des Zylinderblocks 2 hinaus.
Auch der in 2 dargestellte Verdichter weist einen Zylinderblock 2 aus Aluminium auf, das Gehäuse 1 und der Zylinderkopf 3 sind aus Stahl gefertigt. Aufgrund der Verlängerungen des Zylinderblocks 2 in Form der Umfangsränder 6 und 11 kommt es zu Materialeinsparungen an Stahlteilen, was das Gewicht des Verdichters reduziert. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Stahlteile in den Ausführungsformen der 1 und 2 aus Gußstahl sind, daß aber jedoch alle Stahlarten sowie auch Schmiedestahl denkbar sind. Als Fertigungsprozesse kommen Gießen, Schmieden, Pressen oder aber auch andere Verfahren in Frage.
Ferner sei an dieser Stelle angemerkt, daß auch anderweitige Werkstoffkombinationen für einen erfindungsgemäßen Verdichter denkbar sind. Die möglichen Kombinationen sind dabei der Tabelle 1 entnehmbar. Das Gehäuse 1 kann sowohl aus Stahl, als auch aus Aluminium bestehen. Im Falle eines einteiligen Zylinderkopfes 3 (wie er in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 dargestellt ist) kann dieser ebenfalls aus Stahl oder Aluminium bestehen, wohingegen der Zylinderblock 2 aus Aluminium gefertigt ist. Es sei weiterhin angemerkt, daß der Zylinderkopf 2 zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein kann. In diesem Fall empfiehlt es sich, ein Oberteil aus Aluminium zu fertigen, während ein Unterteil aus Stahl oder Aluminium gefertigt sein kann.
Tabelle 1:
Wie den vorstehenden Ausführungen zu entnehmen ist, kann der Aluminium-Zylinderblock 2 mit Stahl- oder Aluminiumgehäuse und Stahl- oder Aluminium-Zylinderkopf 3 kombiniert werden. Bei allen Kombinationen, auch bei der ausschließlichen Verwendung von Aluminiumwerkstoffen, kann die Wandstärke des Gehäuses 1 und des Zylinderkopfes 3 verringert werden, da aufgrund der reduzierten freien Biegelänge bzw. Biegelängen die auftretenden Biegespannungen reduziert werden können.
Wie bereits vorstehend erwähnt, führt der Dichteunterschied zwischen Aluminium und Stahl zu Gewichtseinsparungen an den Verdichtern, wie sie in 1 oder 2 dargestellt sind. Werden der Aluminiumbereich verlängert und der Stahlbereich gekürzt, so ergibt sich aus dem relativen Dichtevorteil von ρ = 4,55 kg/dm³ bei einer Flanschfläche 18 des Zylinderblocks 3 von 3468 mm² und einer Höhe von 10 mm ein Gewichtsvorteil von 157 g.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß der Zylinderkopf 3 an seiner zur Triebwerkskammer 4 hin gerichteten Seite im Bereich der Zylinderbohrungen 15 jeweils abgeschrägte, den Zylinderbohrungen 15 zugeordnete Stirnflächen 14 aufweist.
In 3 ist ein Zylinderblock 2 in perspektivischer Schrägansicht dargestellt. Auch in dieser Abbildung kann man erkennen, daß die Zylinderbohrungen 15 zugeordneten Stirnflächen 14 in radialer Richtung in Richtung zum Zylinderkopf 3 (vgl. hierzu 2) geneigt sind. Ferner lassen sich aus 3 Versteifungsrippen 16 erkennen, mit denen der sich axial über die Stirnseite 5 hinaus erstreckende Umfangsrand 6 versehen ist. Die Versteifungsrippen 16 sind zwischen den einzelnen Zylinderbohrungen 15 im Zylinderblock 2 an der der Triebwerkskammer 4 zugewandten Stirnseite 5 in radialer Richtung ausgebildet. Die Versteifungsrippen 16 erstrecken sich (in Richtung der Längserstreckung des Umfangsrandes 6 betrachtet) bis nahezu an eine Flanschfläche 18 heran. Dies gewährleistet eine hohe Steifigkeit des Umfangsrandes 6, was nochmals das Verhalten hinsichtlich der Biegespannungen verbessert. Wie vorstehend erwähnt, wird der Umfangsrand 6 an dem aus Aluminium hergestellten Zylinderblock 2 versteift; dies stellt sicher, daß seine Wandstärke nicht übermäßig erhöht werden muß. Durch die Versteifungsrippen 16 kann der Zylinderblock 2 im Bereich des Umfangsrandes 6 schlank und damit platz- und gewichtsoptimiert ausgeführt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Versteifungsrippen 16 selbstverständlich nicht nur auf der der Triebwerkskammer 4 zugewandten Seite des Zylinderblocks 2 angebracht sein können, sondern durchaus auch an der dem Zylinderkopf 3 zugewandten Seite denkbar sind. Anzahl und Geometrie der Versteifungsrippen können beliebig ausgeführt sein.
In 4 ist eine dritte Ausführungsform eines Verdichters dargestellt, bei der der Zylinderkopf 3 durch eine Funktionsintegration von Bauteilen und Funktionen in den Zylinderblock 2 stark vereinfacht ist und daher aus Stahlwerkstoffen leicht hergestellt werden kann. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Zylinderkopf 3 nicht notwendigerweise einteilig ausgeführt werden muß, sondern daß die Möglichkeit besteht, den Zylinderkopf 3 mehr-, insbesondere zweiteilig, auszuführen, wobei sich hier die Kombination aus einem Stahlteil und einem Aluminiumteil anbietet. Ein zweiteiliger Zylinderkopf 3 aus zwei Aluminiumteilen ist jedoch ebenso denkbar.
Aufgrund der Verlängerung des Zylinderblockes 2 ergibt sich die Möglichkeit, das Regelventil 19 in axialer Richtung in den Zylinderblock 2 zu integrieren. Es ist selbstverständlich, daß das Ventil in beidseitiger Richtung integriert sein kann, d.h. also zum Zylinderkopf 3 oder zum Gehäuse 1 hin gerichtet.
Der Verdichter gemäß der dritten Ausführungsform, wie er in 4 dargestellt ist, ist in 5 in einer Schnittansicht dargestellt. Dieser kann besonders gut die Lage des Regelventils 19 entnommen werden. Eine Solenoid-Spule, die zur Betätigung des Regelventils 19 dient und in den 4 und 5 nicht dargestellt ist, ist nicht im Grundwerkstoff des Zylinderblocks 2 geführt. Dadurch kann das Regelventil 19 platzsparend ohne doppeltes Gehäuse integriert werden, was die Fertigung vereinfacht und den Außendurchmesser bei einer weiteren Gewichtsreduzierung verringert. Ferner kann das Regelventil oder die Spule im Bedarfsfalle leichter ausgetauscht werden. Das Regelventil 19 ist weiterhin durch den Zylinderkopf 3 in axialer Richtung gesichert.
Im Falle, daß das Regelventil in der anderen Richtung integriert ist, ist dieses durch das Gehäuse 1 gesichert. Eine Anordnung, in der das Regelventil 19 durch den Zylinderkopf 3 gesichert ist, ist in den 4 und 5 dargestellt. Durch diese Sicherung wird der Montageaufwand reduziert und die Sicherheit gegen axiales Lösen des Regelventils 19 erhöht. Die Bearbeitung und Montage eines axialen Sicherungsringes, wie beim Stand der Technik benötigt, entfällt. Die axiale Sicherung des Regelventils 19 wird ohne Mehraufwand durch den Zylinderkopf 3 gewährleistet (bzw. wenn das Regelventil um 180° gedreht eingebaut ist, durch das Gehäuse 1). Eine entsprechende Tasche ist hierzu am Gehäuse 1 bzw. am Zylinderkopf 3 vorgesehen.
Der Vorteil des vorstehend beschriebenen Aufbaus ist die deutliche Vereinfachung des Zylinderkopfes 3, da wie bereits erwähnt Funktionen und Anbauteile in den Zylinderblock 2 verlagert werden. Dieser wird aus Aluminiumwerkstoffen hergestellt. Dadurch können z.B. Bohrungen, die das Regelventil 19 versorgen, einfach angebracht werden, wobei gleichzeitig der Bearbeitungsaufwand im Bereich des Zylinderkopfes 3 reduziert wird, was insbesondere bei der Herstellung desselben aus Stahlwerkstoffen vorteilhaft ist. Die axiale Sicherung des Regelventils 19 ist in 5 im Schnitt sichtbar.
Um die Versorgung des Regelventils 19 mit einem Druckniveau einer Hochdruckseite des Verdichters, einer Saugdruckseite des Verdichters und einem Gehäuseinnendruck des Verdichters zu ermöglichen, werden, wie in 6 dargestellt, Nuten 17 im Flanschbereich angebracht. Diese können selbstverständlich auch eine von der in 6 gezeigten Form abweichende Form aufweisen. Nuten 17 können im Gießprozeß einfach eingebracht werden, eine Alternative ist, diese fräsend oder anderweitig spanend einzubringen. Die Nuten 17 werden von einer Flachdichtung eingeschlossen und entsprechend abgedichtet, wobei im Dichtungssystem die entsprechenden Sicken angepaßt und dementsprechend doppelt ausgeführt sind, um die Nut 17 dichten. Somit kann das verdichtete Gas bzw. das Druckniveau durch den Zylinderblock 2 geleitet werden.
Abschließend sei noch folgendes hinsichtlich der Materialwahl angemerkt: Als Aluminiumwerkstoff für die Gehäuseteile sowie den Zylinderblock wird mit Kupfer und Nickel legiertes Aluminium verwendet. Der Kupferanteil kann dabei zwischen 0,15 Gew.-% und 4,5 Gew.-% liegen, wobei bei den Verdichtern gemäß den beschriebenen Ausführungsformen der Kupferanteil zwischen 0,2 Gew.-% und 1 Gew.-% liegt, um die Korrosionseigenschaften nicht zu verschlechtern. Zur Steigerung der statischen Warmfestigkeit ist ein Nickelanteil zwischen 0,2 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% beigemengt.
Es ist auch eine Fertigung aus Aluminiumlegierungen, die dahingehend optimiert sind, einen geringen Wärmedurchgangskoeffizienten zu haben, denkbar. Der Vorteil liegt in einer geringen Aufheizung des Sauggases im Zylinderblock 2, da die Aufheizung des Sauggases bei Zylinderblöcken gemäß dem Stand der Technik durch deren hohe Wärmeleitung zustande kommt. Eine solche Legierung wird auch für den Zylinderkopf 3 bevorzugt, da dadurch der Wärmeeintrag vom heißen Druckgas ins kalte Sauggas reduziert wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Liefergrad des Verdichters und damit auf das energetische Leistungsvermögen aus.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit fester Merkmalskombination beschrieben wird, umfaßt sie doch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen dieser Merkmale, 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 in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Gehäuse
2: Zylinderblock
3: Zylinderkopf
4: Triebwerkskammer
5: Triebwerkskammerseitige Stirnseite des Zylinderblocks 2
6: Umfangsrand
7: Zylinderkopfseitige Stirnseite des Zylinderblocks 2
8, 9: Pfeil
10: Ölabscheider
11: Umfangsrand
12, 13: Pfeil
14: Stirnflächen, die den Zylinderbohrungen 15 zugeordnet sind
15: Zylinderbohrung
16: Versteifungsrippe
17: Nut
18: Flanschfläche
19: Regelventil
101: Gehäuse
102: Zylinderblock
103: Zylinderkopf
104: Triebwerkskammer
111, 112: Gehäuseteil
113: Triebwerksseitige Stirnseite des Zylinderblocks 102

Claims

Verdichter, insbesondere Axialkolbenverdichter, mit einem eine Triebwerkskammer (4) begrenzenden Gehäuse (1), einem Zylinderblock (2), in dem mindestens ein Kolben hin- und herlaufend gelagert ist, und einem Zylinderkopf (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (2) an wenigstens einer Stirnseite (5, 7) einen sich über diese axial hinauserstreckenden Umfangsrand (6, 11) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial über die Stirnseite (5) hinauserstreckende Umfangsrand (6) an der der Triebwerkskammer (4) zugewandten Stirnseite (5) des Zylinderblocks (2) ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial über die Stirnseite (5) hinauserstreckende Umfangsrand (6) sich wenigstens um 10%, vorzugsweise um 15% der Erstreckung des Zylinderblocks (2) in axialer Richtung oder noch weiter über die zur Triebwerkskammer (4) hin gerichtete Stirnseite (5) des Zylinderblocks (2) hinauserstreckt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial über die Stirnseite (7) hinauserstreckende Umfangsrand (11) an der dem Zylinderkopf (3) zugewandten Stirnseite (7) des Zylinderblocks (2) ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial über die Stirnseite (7) hinauserstreckende Umfangsrand (11) sich wenigstens um 5%, vorzugsweise um 10% der Erstreckung des Zylinderblocks (2) in axialer Richtung oder noch weiter über die zum Zylinderkopf (3) hin gerichtete Stirnseite (7) des Zylinderblocks (2) hinauserstreckt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (3) mehr-, insbesondere zweiteilig ausgebildet ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1), der Zylinderblock (2) und der Zylinderkopf (3) aus demselben Material, insbesondere aus Aluminium gefertigt sind.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1), der Zylinderblock (2) und der Zylinderkopf (3) aus mindestens zwei verschiedenen Materialien gefertigt sind.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (2) aus Aluminium und das Gehäuse (1) sowie der Zylinderkopf (3) aus Stahl oder Aluminium gefertigt sind.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberteil des Zylinderkopfes (3) aus Aluminium und ein Unterteil desselben aus Aluminium oder Stahl gefertigt sind.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Triebwerkskammer (4) zugeordnetes Regelventil (19) im Zylinderblock (2), insbesondere sich axial erstreckend, integriert ist.
Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Regelventil (19) zugeordnete Solenoid-Spule zur Betätigung des Regelventils (19) außerhalb des Zylinderblocks (2) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (19) durch den Zylinderkopf (3) oder das Gehäuse (1) in axialer Richtung im Zylinderblock (2) gesichert ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sich axial über die Stirnseite (5, 7) hinauserstreckende Umfangsrand (6, 11) mit inneren und/oder äußeren Versteifungen, insbesondere Versteifungsrippen (16), versehen ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Zylinderbohrungen (15) im Zylinderblock (2) an der der Triebwerkskammer (4) und/oder dem Zylinderkopf (3) zugewandten Stirnseite (5, 7) Radial-Rippen (16) ausgebildet sind.
Verdichter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16) sich in axialer Richtung jeweils bis zu einer Flanschfläche erstrecken.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Kolbenverdrehsicherung am Gehäuse (1) und/oder an dem der Triebwerkskammer (4) zugewandten Umfangsrand (6) des Zylinderblocks (2) abstützt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (2) und diesem zugeordnete Kolben aus demselben Material gefertigt sind.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Aluminium gefertigten Teile aus einer Aluminium-Legierung gefertigt sind, die zwischen 0,15 % und 4,5 % Cu, vorzugsweise zwischen 0,2 % und 1 % Cu und/oder 0,2 % bis 0,3 % Ni enthält.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Nuten (17) in mindestens einem der Flanschbereiche des Zylinderkopfes (2) vorgesehen sind, wobei die Nuten (17) zur Versorgung vorbestimmter Einrichtungen, wie beispielsweise Regelventil (19), mit einem vorbestimmten Druck-Niveau dienen.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Triebwerkskammer (4) hin gerichtete Stirnseite des Zylinderblocks (2) im Bereich der Zylinderbohrungen (15) eine abgeschrägte Stirnfläche (14) aufweist, die radial in Richtung des Zylinderkopfes (3) geneigt ist.