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Kolbenverdichter Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter
mit hin- und herbewegtem Kolben in trockenlaufender Ausführung.
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Für industrielle Zwecke kommen überwiegend Kolbenkompressoren, Drehkolbenverdichter
und Kreiselverdichter in axialer Ausrührung zum E4natz.
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Die wo meisten verbreitete Verdichterbauart, der Hubkolbenkompressor,
besteht aus einem Zylinder mit einem darin sich hin- und herbewegenden Kolben, welcher
über eine Kurbelwelle und eine Pleuelstange angetrieben wird. Die Kurbelwelle überträgt
auf den Kolben eine axiale Kraftkomponente (welche die Hin- und Herbewegung erzeugt),
sowie eine radiale Komponente, die vom Zylinder aufgenommen wird.
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Dieser Radialschub bewirkt eine erhöhte Gleitreibung zwischen Kolben
und Zylinder und demzufolge eine durch die Reibung verursachte Wärmeentwicklung.
Um ein Festfressen des Kolbens im Zylinder zu vermeiden, müssen Vorkehrungen zun
Verbessern der Zylinderkühlung sowie zum Verbessern der Schmierung zwischen Kolben
und Zylinder getroffen werden.
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In einigen Fällen, wo zum Beispiel aufgrund der Besonderheit des verdichteten
Gases oder wegen der hohen Betriebstemperaturen oder auch wie in der Lebensmittel-,
der Arzneimittel-, und der chemischen Industrie, keine Verunreinigung des Gases
durch Schmieröl erlaubt ist, darf während des Verdichtungsvorganges kein dl in den
Zylinder gelangen.
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In all diesen Fällen macht man von der sogenannten Trockenlauf-Ausführung
Gebrauch, wobei für die Dichtung zwischen Kolben und Verdichter aufwendige konstruktive
Maßnahmen getroffen werden müssen, von welchen einige anschließend (beispielsweise)
aufgezählt werden: a) Abdichtung in Form eines Labyrinths zwischen kolben und Zylinderwand;
b) Interne Auskleidung des Zylinders mit einem Graphit-Mantel, auf welchem die am
Kolben angebrachten Kolbenringe gleiten; c) Führungsringe aus Graphit, aus einer
Metall-Kunstkohle-Verbindung oder aus bion, welche auf dem metallischen Zylinder
laufend
Zusätzlich zur Trockenschmierung haben die Kompressorenhersteller
zum Verringern der infolge der Gleitreibung zwischen Kolben und Zylinder entwickelten
Wärme noch zu folgenden baulichen Maßaahmen gegriffen: 1.) größere Kolbenlänge,
um bei gleichem vom Kolben auf den Zylinder ausgeübten tuerschub den Radialdruck
zu verringern; 2o) Herabsetzen der Hubzahl des Kolbens pro Zeiteinheit: Diese Maßnahme
bringt erhebliche Nachteile mit sich (bei gleichem Hubraum und im Vergleich zu den
Hubkolbenverdichtern mit Ölechmierung)0 Einige dieser Nachteile sind vor allen Dingen
die beträchtliche Verringerung der Fördermenge, der größere Platzbedarf und der
notwenige Einbau eines geeigneten Getriebes zwischen Kurbelwelle und Motor (im allgemeinen
ein Verbrennungsmotor).
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist nunmehr hauptsächlich die Beseitung
der oben genannten Nachteile, und insbesondere die Schaffung eines Hubkolbenkompressors,
bei welchem bei der linearen Hin- und Herbewegung des Kolbens nur eine geringe radiale
Reibung zwischen Kolben und Zylinder erzeugt wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Kompressors,
der ohne Zwischenschaltung von Zahnradgetrieben direkt auf die Welle des Verdichterantriebsmotors
aufgezogen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt außerdem die Verwirklichung
eines
Verdichters, der mit einer hohen Hubzahl arbeiten kann, um bei gleichbleibendem
Fördervolumen eine erhebliche Herabsetzung des Gewichts und des Platzbedarfs und
demzufolge eine beträchtliche Kostenverringerung zu erzielen.
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Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines Kompressors, welcher eine öllose Schmierung ermöglicht und praktisch wartungsfrei
ist.
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Diese und weitere erfindungsgemäße Ziele werden alle mit dem obigen
Kompressor erreicht, welcher von einem allgemeinen Standpunkt aus dadurch gekennzeichnet
ist, daß er besteht aus mindestens einem Paar koaxialer Zylinder, die sich in einem
Gehäuse gegenüberliegen und zur Aufnahme einer entsprechenden Anzahl von Kolben
vorgesehen sind, welche starr durch einen Körper miteinander verbunden sind, dessen
Achse parallel zur Kolbenachse liegt; aus auf diesen Körper einwirkenden Mitteln,
welche zum Ausüben einer veränderlichen Kraft vorgesehen sind, die im wesentlichen
parallel zur Achse dieses Körpers gerichtet ist und zum Antreiben der geradlinigen
Hin- und Herbewegung der oben genannten Kolben dient; aus Führungsmitteln, welche
eine Drehung des genannten Körpers gegenüber seiner Achse während seiner Hin- und
Herbewegung vermeiden sollen.
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Weitere Kennzeichen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
deutlicher aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten, Jedoch
nicht darauf beschränkten Ausfthrungsform des erfindungsgemäßen Kompressors hervor,
welche
beispielsweise anhand der beiliegonden Zeichnung erläutert
wird. Darin zeigt: Fig. 1 den erfindungsgemäßen Kompressor in Gleichstrom-Ausführung,
in einer Draufsicht im Asialschnitt nach einer horizontalen Ebene; Fig. 2 das Detail
A von Bild 1, das die Antriebsmittel der Kompresgorkolben darstellt, in einer gegenüber
der obigen Darstellung um 900 gedrehten Ansicht; Fig. 3 eine Teilansicht einer weiteren
Variante der Antriebsmittel von Bild 2 und 30 Mit Bezug auf die obigen Abbildungen
wird mit 1 ein Gehäuse (aus Aluminium) dargestellt, über dessen ganze Länge sich
eine durchgehende Bohrung 2 erstreckt. In dieser Bohrung sind zwei gegenüberliegende
Zylinderbuchsen 3 mit Übermaß und nach bekannten Verfahren miteinander gekuppelt,
die zu den entsprechenden Zylindern 4 gehören0 Die Zylinderbuchßen sind an Je einem
Ende der Bohrung 2 angeordnet. Das Gehäuse 1 ist an den die Zylinder 4 umgebenden
Abschnitten mit Kühlrippen 5 für die Kühlung der Zylinder 4 versehen, Das Kopfstück
eines Jeden Zylinders besteht aus einem Hohlelement 6 aus Aluminium, in welchem
ein Druckventil 7 (bekannter Art) ausgebildet ist0 Über eine Gewindebohrung 37,
in welche eine (nicht dargestellte) Leitung eingeschraubt
ist,
steht das Hohlelement 6 mit einem bestimmten Verbraucher bzwe einem (nicht abgebildeten)
Behälter in Verbindung.
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Die genannten Zylinder 4 nehmen eine entsprechende Anzahl Kolben 8
auf (die mit Kolbenringen 9 aus Trockenlaufwerkstoff versehen sind) und mit einer
Kolbenstange 10 in Verbindung stehen Am Kopfende Jedes einzelnen Kolbens ist das
Ansaugventil 23 angeordnet, welches den entsprechenden Zylinder über eine Leitung
29 mit dem mittleren Teil 2a der Bohrung 2 in Verbindung setzt.
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Am mittleren entsprechend vergrößerten Abschnitt des Kolbens 10 ist
eine Ausnehmung 11 vorhanden, die zwei zueinander parallele und senkrecht zur Kolbenstangenachse
verlaufende Flächen 12 aufweist.
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An Jeder dieser Flächen 12 wird auf bekannte Art und Weise ein Druckstück
13 befestigt, das aus wärmebehandeltem Stahl besteht.
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Auf den neben den Druckstücken 13 liegenden Flächen, die parallel
zueinander und senkrecht zur Kolbenstangenachse 10 verlaufen, wälzt sich eine Rolle
14 ab, die lose an einem Zapfen 15 angebracht ist, welcher exzentrisch gegenüber
einer Welle 16 angeordnet ist, an die er über einen Arm 17 befestigt ist. Zwischen
der Rolle 14 und dem Zapfen 15 sind zwei koaxiale Kugellager 14a und 14b hintereinander
angeordnet.
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Die Welle 16 ist drehbar in zwei Lagern 18 gelagert, die an
einem
Flansch 19 abgestützt sind, der am Gehäuse 1 befestigt ist. Auf die Welle 16 ist
ein Laufrad 20 aufgezogen, das einen Luftstrom in Richtung der Kühlrippen 5 erzeugt.
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In die Kolbenstange 10 ist auf der dem Arm 17 gegenüberliegenden Seite
eine Nut 21 eingearbeitet, die parallel zur Kolbenstangenachse verläuft. In diese
Nut greift das Ende eines FUhrungszapfens 22 ein, der an einem Deckel 23 gelagert
ist. Die Aufgabe dieses Führungszapfens 22 wird anschließend noch näher beschrieben.
Auf beiden Seiten des Deckels 23 sind zwei Filter 24 vorgesehen, welche die äußere
Umgebung mit dem Mittelteil 2a der oben genannten Bohrung 2 in Verbindung setzt.
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Anschließend wird die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Kompressors
beschrieben.
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Durch die Drehung der Welle 16 (die beispielsweise durch einen Verbrennungsmotor
angetrieben ist), wird dem Zapfen 15 eine kreisförmige Bewegung erteilt. Die lose
Rolle 14 am Zapfen 15 rollt (infolge der geradlinigen Hin- und Herbewegung des Zapfens
gegenüber den Druckstücken) auf diesen Druckstücken 13 ab und übt auf diese eine
veränderliche Kraft aus, die im wesentlichen parallel zur Kolbenstangenachse 10
gerichtet ist.
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Durch diese Kraft wird natürlich die geradlinige Hin- und Herbewegung
der Kolbenstange und der damit verbundenen Kolben betätigt. Es ergibt sich nur eine
einzige vernachlässigbare geringe Komponente, die senkrecht zur Kolbenstangenachse
gerichtet ist und durch die Wälzreibung zwischen der Rolle 14 und den Gleitstücken
13 verursacht wird0
Untersucht man beispielsweise den rechten Kolben
(mit Bezug auf die beigelegte Zeichnung) während der Kolbenbewegung vom äußeren
Totpunkt bis zum inneren Totpunkt (von der rechten auf die linke Seite in der Abbildung),
so steht der Zylinder unter Unterdruck, das Druckventil 7 ist geschlossen, während
das Ansaugventil 25 geöffnet ist. Auf diese Weise wird ein Luftstrom erzeugt, der
von außen her durch die Filter 24 angesaugt wird und in den Zylinder einströmt.
Sobald der Kolbenhub in der entgegengesetzten Richtung beginnt, schließt das Ansaugventil
und das Druckventil öffnet, wenn der Druck im Innern des Zylinders einen bestimmten
Wert übersteigt.
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Es ist sehr wichtig, daß die Rolle 14 ausschließlich auf dem entsprechenden
Gleitstück abrollt, das auch als Führung dient.
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Dies ist dadurch möglich, daß Jede Drehbewegung der Kolbenstange um
ihre Achse vermieden wird und erfolgt mit Hilfe eines Führungszapfens 22, der eine
Längsbewegung in der Nut 22 vollzieht und dadurch Jegliche Drehbewegung unterbindet.
Dadurch daß die Rolle 14 durch die Zwischenschaltung von zwei Kugellagern 14a und
14b lose mit dem Zapfen 15 verbunden ist, besteht die Möglichkeit, die Wälzbewegung
der Rolle 14 auf den Gleitstücken 13 vollständig von der Drehbewegung der Rolle
gegenüber der Achse des Zapfens 15 unabhängig zu machen.
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Für die Antriebsbewegung der Kolben 8 können anstelle der an den Druckstücken
13 gleitenden Rolle 14 auch die in Bild 3 und 4 gezeigten Varianten zum Einsatz
kommen.
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Für die Antriebsbewegung der Kolben 8 können anstelle der an den Druckstücken
13 gleitenden Rolle 14 auch die in Bild 3 und 4 gezeigten Varianten zum Einsatz
kommen.
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In der in Bild 3 dargestellten Variante ist der Arm 17 an ein aus
Stahl bestehendes Gleitstück 30 angelenkt, das ohne ein bemerkenswertes Spiel zwischen
den beiden aus Stahl bestehenden Führungen 31 gleitet. Um ein Verkanten des Gleitstücks
30 zwischen den Führungen 31 zu vermeiden, ist das Gleitstück 30 mit einem besonderen
bekannten Materialband verkleidet0 Die obige Variante weist einen geräuschärmeren
Betrieb aus als die Ausführung von Bild 2, da die große Kontaktflächo zwischen dem
Gleitstück 30 und den Führungen 31 einen geringen spezifischen Flächendruck ermöglicht,
so daß eine ausreichende "sanften Berührung zwischen der Kontaktfläche des Gleitstücks
und der entsprechenden Führung stattfindet (wenn die Bewegungsrichtung der Kolbenstange
10 umgesteuert wird).
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In der in Bild 4 dargestellten Variante ist der Arm 17 an dem Teil
33 angelenkt (das aus einem Parallelepiped oder aus einem zylindrischen Teil mit
kreisföraigem Querschnitt besteht) und zwischen den drei lose an der Kolbenstange
10 angebrachten Rollen 36a, b, c verschiebbar ist, wobei zwei dieser Rollen 36a,
b den gleichen Durchmesser aufweisen und auf der gleichen Seite angeordnet sind,
während die dritte Rolle 36c einen größeren Durchmesser als die ersten beiden aufweist
und auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet isto Die Rolle 36c ist
anhand
von nicht dargestellten Mitteln gegenüber der Achse des Teils 35 verschiebbar, um
eventuelle unvermeidliche während des Kompressorbetriebs auftretende Spielerscheinungen
ausgleichen zu können. Da die Kraft für die Kolbens tangenbe tätigung im wesentlichen
entlang der Kolbenstangenachse gerichtet ist, ergibt sich der von den Kolben auf
den entsprechenden Zylinder ausgeübte radiale Druck aus der Federkraft der am Kolben
angebrachten Kolbenringe, zu welcher noch die durch die Reibung der Antriebselemente
bedingte radiale Komponente hinzukommt, weshalb die durch die Reibung erzeugte (und
vermittels der Kühlrippen nach außen abgeführte) Wärmemenge ziemlich gering isto
Dadurch ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen, von denen hier nur die wichtigsten
aufgezählt werden sollen: a) Möglicher Trockenlauf des Kompressors, ohne daß zu
aufwendige konstruktive Maßnahmen getroffen werden müssen; b) Möglichkeit, die Baulänge
des Kolbens minimal zu halten unter entsprechender Verringerung des Platzbedarfs
des Kompressors bei gleichbleibender Hublänge; c) Möglichkeit, die Hubzahl der Kolben
pro Zeiteinheit zu erhöhen bei entsprechend höherer Förderleistung und unveränderten
Hubraum.
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Da die Kolbenstange zwei Kolben mitnimmt, werden weiterhin bei Jedem
Doppelhub der Kolbenstange zwei vollständige Verdichtungen mit entsprechender Druckluftlieferung
erzielt (eine Kompression pro Zylinder). Auf diese Weise ist eine doppelte Liefermenge
bei gleicher Hubzahl der Kolbenstange erreichbar.
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Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Kompressors ergeben
sich unmittelbar aus dem unter Punkt c) genannten Vorteil: Die Welle 16 kann nämlich
direkt (ohne Zwischenschaltung von Zahnradgetrieben) auf der Welle des Antriebsmotors
befestigt werden. Durch das direkte Aufziehen eines Laufrades 20 auf die Welle 16
kann außerdem die von einem in der Abbildung nicht dargestellten Leitblech abgelenkte
Luftströmung beschleunigt werden, welche die Kühlrippen beaufschlagt und damit zu
einer leistungsfähigeren Zylinderkühlung beiträgt.
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Durch die einteilige Ausführung von Zylinder und Gehäuse können die
Herstellungskosten des Kompressors erheblich gesenkt werden.
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Da der ton der Kolbenstange während ihrer Eubbewegung (aufgrund des
symmetrischen Innenraumes des Kompressors) bedeckte Raum ein konstantes Volumen
aufweist, treten auch keine bemerkenswerten Druckgchwankungen in diesem Raume auf,
weshalb hier kein Einsatz von Ventilen erforderlich ist0 Zu den oben genannten Vorzüge
kommt noch ein für den Gleichstrom-Kompressor typischer Vorteil hinzu: die unkomplizierte
Bearbeitung der Kolben- und Zylinderköpfe, da die Ansaugventile im Kolbenkopf und
die Druckventile im Zylinderkopf angeordnet sind, Hinzu kommt, daß dank der öllosen
Schmierung der Einsatz eines Ansaugventils möglich ist, das teilweise vom entsprechenden
Druckventil aufgenommen wird, wenn sich der Kolben im äußeren Totpunkt befindet;
auf diese Weise kann der Schadraum des Kompressors praktisch gleich Null gehalten
werden, wodurch sich eine entsprechende Erhöhung der Kompressorleitung ergibt.
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Die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist nicht auf
die obige Ausführungsform beschränkt, sondern es sind auch zahlreiche Varianten
in der praktischen Anwendung der konstruktiven Details denkbar, ohne den Erfindungsbereich
zu überschreitet