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Kolbenverdichter
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Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zur Erzeugung von Druckgas,
insbesondere Druckluft, mit einer in dem Zylinderkopf angeordneten Kühlvorrichtung
für das verdichtete Gas.
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Der Erfindung liegt die aufgabe zugrunde, einen möglichst kompakt
aufgebauten Kolbenverdichter mit einer in dem Zylinderkopf integriorten kühleinrichtung
hoher sposifischer Kühlflächenleistung zu schaffen, der eine verbesserte Abkühlung
des während des Verdichtungsvorganges erwärmten Druckgases ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfiridungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlvorrichtung
als im Kreuzgegenstrom arbeitender Wärmeaustauscher ausgebildet ist.
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Bevorzugt weist der Wärmeaustauscher innerhalb des Zylinderkopfes
eine kreisringförmige, zum Zylinder koaxiale innere Rohrwand und eine zu dieser
in einem radialen Abstand angeordnete kreisririgförmige und um Zylinder koaxiale
äußere Rohrwand auf, wobei die Rohrwände einen Ringraum bilden und wobei in Bohrungen
der Rohrwände die Enden von sich radial erstreckenden Kühlrohren dichtend eingesetzt
sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen
enthalten. Der Schutzumfang erstreckt sich nicht nur auf die beansprtichten Einzelmerkmale,
sondern auch auf deren Kombination.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt; und wird
im folgenden näher beschrieben. Es acigen: Fig. 1 den oberen Teil des Zylinders
eines Kolbenverdichters mit aufgesetztem Zylinderkopf, teilweise in der Seitenansicht
und teilweise in einem senkrechten Schnitt;
Fig.2 einen Schnitt
gemäß Linie II-II der Fig.1; Fig.3 einen Schnitt gemäß Linie III-III der Fig.2 durch
den oberen Teil des Zylinderkopfes; Fig.4 eine Abwicklung gemäß Schnittlinie IV-IV
der Fig.1 zur Veranschaulichung der Anordnung der Kühlrohre; Fig.5 einen senkrechten
Schnitt durch die Rohrwände mit den Kühlrohren des Wärmeaustauschers gemäß Schnittlinie
V-V der Fig.4.
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[)er Kolbenverdichter besteht entweder aus einem einzigen @ylinder
mit aufgeset@tem Zylinderkopf oder aus mehreren @erartigen parallel- oder hintereinandergeschalteten
Zylinder. Gemäß Fig.l der Zeichnung ist oberhalb des den Kolben 10 enthaltenden
Zylinders 11 der Zylinderkopf 12 angeordnet. Er ist aus einem sich senkrecht zur
Zylinderachse erstreckenden Boden 13 und einem von diesem im Abstand angeordneten
Deckel 14 zusammengesetzt. Zwischen dem Boden 13 und dem Deckel 14 ist in dem Zylinderkopf
12 ein Wärmeaustauscher 15 für die verdichtete Luft angeordnet.
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Der Boden 13 enthält mehrere auf einem inneren zur Zylinderachse konsentrischen
Kreis angeordnete Einlaßventile 1(1 und mehrere auf einem größeren äußeren zur Zylinderaehas
konzentrischen Kreis angeordnete Auslaßentile 17, so daß die anzusaugende Luft achsparallel
in den Zylinderraum einströmt und die verdichtete Luft von dort achsparallel ausgestoßen
wird.
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Zur Abkühlung der verdichteten und dabei erwärmten Druckluft ist der
in den Zylinderkopf 12 integrierte Wärmeaustauscher
15 aus einer
kreisringförmigen, koaxial zum Zylinder 11 angeordneten inneren Rohrwand 18, einer
dazu im Abstand angeordneten kreisringförmigen, zum Zylinder 11 koaxial angeordneten
äußeren Rohrwand 19 und aus mehreren radialen von den Rohrwänden 18 und 19 gehaltenen
Kühlrohren 20 aufgebaut. Ein Ende jedes Kühlrohres 20 steckt jeweils in der inneren
Rohrwand 18, während das andere Ende jeweils in der äußeren Rohrwand 19 steckt.
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Die Kühlrohre 20 werden an ihrer Außenseite senkrecht zu den Rohrachsen
von einem kühlmittel angeströmt.
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Kühlmittel kann beispielsweise atmosphärische Lift oclei auch Kühlwasser
sein. ¢s wird von einer eigenen Pumpe oder einem Ventilator durch den Wärmeaustauscher
15 hindurchgesaugt. Im vorliegenden Ausführungsbeispi.el strömt als Kühlmittel Luft
durch Eintrittsöffnungen 21 des Deckels 14 in Kühlräume 22, die innerhalb des Deckels
14 oberhalb des Wärmeaustauschers 15 angeordnet sind und in deren kühlrohr-außenseitigen
Raum übergehen. Dieser so verlängerte Kühlraum 22 setzt sich an seiner Unterseite
in entsprechend großen ausnebmugen 23 des Bodens 13 und einem darunter angeordneten
Ringraum fort, der den Zylinder 11 umgibt. Das Kühlmittel strömt also durch die
Eintrittsöffnungen in den Kühlraum 22 ein,strömt dort d Kührohre 20 an deren Außenseite
quer an und gelangt naeli Durchströmen der Ausnehmungen 23 des Bodens 13 in den
den Zylinder 11 umgebenden Ringraum, der von einem mit dem Zylinder 11 konzentrischen
Mantel 24 in radialer RichtLng begrenzt wird. Das Kühlmittel kann also einerseits
von den Kühlrohren 20 und andererseits von der äußeren Oberfläche des Zylinders
11 Wärme aufnehmen und fortleiten.
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Der Boden 13, der Deckel 14 und die Rohrwände 18 und 19 sind mit Hilfe
von Dehnschrauben 25 an dem Gehäuse des Zylinders 11 befestigt, die sich parallel
zur Zylinderachse
innerhalb der Kühlräume 22 erstrecken. Auf die
oberen Enden der Schrauben 25 sind außerhalb des Deckels 14 Muttern 26 zur Befestigung
aufgeschraubt.
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Für die anzusauggende Luft ist zwischen dem Boden 13 und dem Deckel
14 ein kreisringförmiges Ansaugfilter 27 angeordnet, durch welches der Zylinderkopf
12 in radialer Richtung nach außen begrenzt wird. Innerhalb des Deckels 14 sirid
für die anzusaugende Luft mehrere radiale Saugkanäle 28 in Form von Venturidüsen
angeordnet, die alle in einen oberhalb der Einlaßventile 16 befindlichen Saugrfum
29 einmünden. Dieser Saugraum 29 wird von einem inneren Einsatz 30 gebildet, der
konzentrisch zum Zylinder 11 angeordnet ist und einen Abstand zur inneren Rohrwand
18 einhält. Der Einsatz 30 ist einstückig mit einem sich im Bereich der Zylinderachse
erstreckenden Stützkörper 31 ausgeführt. teine axiale Bohrung in dem Stützkörper
31 mimmt eine Schraube 32 auf zur Befestigung des Bodens 13, les Deckels 14 und
des dazwischen angeordneten Einsatzes 30 aneinander.
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Die verdichtete Luft wird nach Verlassen des Zylinderraumes durch
die Auslaßventile 17 so durch die Kühlrohre 20 hindurchgeführt, daß der Wärmeaustauscher
15 im Kreuzgegenstrom arbeitet. Zu diesem Zweck sind an der Außenseite des inneren
Einsatzes 30 kreisringförmige, den Abstand zu der inneren Bohrwand 18 überbrückende
Trennstege 33 so ausgebildet, daß die verdichtete Luft zwischen der inneren Rohrwand
18 und dem inneren Einsatz 30 umgelenkt wird. Um ii.eso Luft auch al außerhalb der
äußeren Rohrwand 19 umzulenken, so daß sie die Kühlrohre 20 nicht parallel, sonlern
bintepeinander durchströmt, ist an der Außenseite der äußeren Rohrwant 19 in einem
Abstand zu dieser ein kreosringförmiger, zur Zylinderachse konzentrischer äußerer
Mantel 34 mit Trennstegen 35 angeordnet. Die Trennstege 35 überbrücken den Abstand
zwischen der äußeren Rohrwand
19 und dem äußeren Mantel 34, so
daß sich Umlenkräume ergeben. Innerhalb des Deckels 14 sind Druckkanäle 36 angeordnet,
die sich an die rohrseitigenAustrittsöffnungen des Wärmeaustausehers 15 ansehließen
und in eine gemeinsame 37 Austrittsöffnung für den Austritt des verdichteten und
gekühlten Gases aus dem Kolbenverdichter einmünden.
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Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter arbeitet wie folgt: Beim Hingang
des Kolbens 10 wird Luft durch das Ansaugfilter 27 auf dessen Innenseite 38 und
von dort durch die Saugkanäle 28, den Saugraum 29 und die Einlaßventile 16 in den
Zylinderraum angesaugt. Beim Rückgang des Kolbens 10 wird diese Luft verdichtet.
Von einem bestimmten Druck an öffnen die Auslaßventile 17 und die verdichtete Luft
strömt durch diese Ventile auf die Rohrinnenseite des Wärmeaustauschers 15. Gleichzeitig
ströt Kühlluft durch die Eintrittsöffnungen 21 in die Kühlräume des Deckels 14 und
somit auf die Rohraußenseite des Wärmeaustauschers 15. Da die verdichtete Luft nach
Durchströmen der Kühlrohre 20 jeweils umgelenkt wird, so daß sie übereinander angeordnete
Kühlrohre nacheinander durchströmen muß, liegt ein Wärmeaustausch im Kreuzgegenstrom
vor, der einen sehr hohen Wärmeübergang von dem zu kühlenden Medium auf das Kühlmittel
ermöglicht.
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Nach Durchströmen des Wärmeaustauschers 15 auf der Rohraußenseite
gelangt die Kühlluft durch die Ausnchmungen 2 des Bodens 13 in den Raum des den
Z ylinder 11 umgebenden Mantels 2>1 und kann dort noch dcn Zylinder 11 an seiner
äußeren Oberflä-che kühlen. Sie wird danach von einem nicht dargestellten Ventilator
aus dem Kolbenverdichter abgesaugt.
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Die verdichtete Luft gelangt nach Durchströmen des Wärmeaustauschers
15 auf der Rohrinnenseite im abgekühlten Zustand durch Druckkanäle 36 des Deckels
14 zu der Austrittsöffnung 37 des Kolbenverdichters und wird von dort
zum
nicht dargestellten Druckbehälter geleitet.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch Verwendung eines Kreuzgegenstrom-Wärmeaustauschers eine wesentlich verbesserte
Kühlleistung erzielt wird. Mit der Erfindung lassen sich somit eine höhere spezifische
Kühlflächenleistungg und damit ein geringeres Bauvolumen erzielen. Insbesondere
durch die Verwendung von Kühlrohren besteht eine geringere Verschmutzungsanfälligkeit,
so daß sich auch der Wartungsaufwand verringert.
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Dadurch, der ß die Ventile und Kühlwege vollständig in das Kühlsystem
eingekapselt sind, ergibt sieh eine Verringerung der bei Kolbenverdiehtern auftretenden
Geräusche, Die Kompaktbauweise hat ferner den Vorteil, daß keine besonderen, außerhalb
des Kolbenverdichters verlaufenden Leitungen erforderlich sind. Auch bei Verwendung
mehrerer Zylinder für den Kolbenverdichter hat jeder einzelne Zylinder sein eigenes
Kühlsystem und seine eigene zentrale Druckluftabführung. Das Kühlsystem reicht bis
in den Bereich des Zylinders hinein, so daß die Aufheizung des in den Zylinderraum
angesaugten Gases geringer ist. Auf diese Weise und infolge der Anordnung im Bereich
des Kühlsystems sind die Auslaßventile nicht den höchsten aufretenden Temperaturen
ausggesetst, Schließlich ist die erindungsgemäße Kühlerbauart auch unempfindlich
gegen mehanische Schwingungen.
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Die innere Rohrwand 18 und die äußere Rohrwand 19 des in den Zylinderkopf
12 integrierten Wärmeaustauschers 15 brauchen nicht als einzelne Bauteile ausgebildet
zu sein, sondern können auch einstückig mit dem Deckel 14 ausgeführt sein.
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L e e r s e i t e