DE4429098A1 - Kolbenverdichter für gasförmige Medien - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch angetrie­ benen Kolbenverdichter oder Kolbenkompressor für gasförmige Medien, vorzugsweise für Luft.

Es ist hierbei insbesondere an sogenannte Kleinkompressoren gedacht, die für eine Druckluftversorgung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Diese Kompressoren sollen auch im Dauerbetrieb arbeiten. Der Einsatz in Kraftfahrzeugen unter­ wirft die Kompressoren hohen Belastungen. Zum einen sind diese mechanischer Art, insbesondere wenn der Kompressor den Rüttel­ bewegungen des Motors ausgesetzt ist. Zum anderen handelt es sich um thermische Belastungen, bedingt durch den breiten Tem­ peraturbereich, in dem Fahrzeuge verwendet werden. Es besteht hier speziell das Problem der Überhitzung, wobei die von der im Fahrzeug eingesetzten Brennkraftmaschine ausgehende Wärme den Haupteinfluß ausübt. Die Umgebungstemperataur im Motor-Raum beträgt bis +80°C.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kompressor bereitzustellen, der eine hohe Temperaturbelast­ barkeit aufweist, für Dauerbetrieb auch unter ungünstigen Umständen geeignet ist und eine einfache und kostengünstige Bauweise aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen selbstkühlenden Kolbenkompressor, bei dem ein Teil der vom Kompressor von außen, z. B. über Luftfilter, angesaugten Luft zur Kühlung des Zylinderkopfes und des Antriebsmotors des Kompressors dient. Dies wird dadurch erreicht, daß der Leerhub des Kolbens zumindest teilweise zur Förderung von Kühlluft verwendet wird, die über Kanäle im Zylindergehäuse und am Elektromotor vorbei geleitet wird und diese kühlt. Die Steuerung der notwendigen Luftzufuhr- und Luftableitungsöffnungen erfolgt durch eine entsprechend ausgebildete Schwungscheibe, an der die Kolbenstange des Förderkolbens exzentrisch befestigt ist. Durch die Drehung dieser Schwungscheibe werden die entsprechenden Luftöffnungen geöffnet und geschlossen. Die Form der Schwungscheibe und die Anordnung der Öffnungen müssen dabei miteinander korrespondieren. Eine Öffnung dient zum Ansaugen von Außenluft, die andere Öffnung zur Abführung der Kühlluft. Es handelt sich um eine Art Schiebeventil. Der Kolbenkopf kann ebenfalls ein Ventil, nämlich ein Rückschlagventil enthalten, durch das die zu verdichtende Luft aus dem Kurbelgehäuse während des Leerhubs in den Arbeitsraum fließt. Die genaue Beschreibung eines solchen mit dem Kolben verbundenen Ventils befindet sich in einer gleichzeitig eingereichten Parallelanmeldung.

Beim Arbeitshub bewegt sich der Kolben nach oben. Das mit ihm verbundene Ventil ist geschlossen. Er komprimiert die Luft im Zylinder, die über ein weiteres Rückschlagventil an den Ver­ braucher abgegeben wird. Außenluft wird über die von der Schwungscheibe geöffnete Öffnung angesaugt.

Beim Leerhub bewegt sich der Kolben wieder nach unten. Solange sein Ventil geschlossen ist, komprimiert er die sich unterhalb von ihm befindliche Luft, die dann zu Kühlzwecken durch die jetzt von der Schwungscheibe geöffnete Öffnung geleitet wird und zur Kühlung des Zylinderkopfes sowie des elektrischen Antriebs des Kompressors dient.

Die Menge der so erhaltenen Kühlluft hängt vom Druck ab, den der Verbraucher dem Kompressor entgegensetzt. Bei hohem Gegendruck nimmt der Verbraucher kaum Luft ab, womit der Kompressor viel Leistung aufnimmt, um gegen diesen Druck anzuarbeiten, was zu einer stärkeren Erhitzung des Kompressors führt. Der hohe Gegendruck sorgt aber auch dafür, daß das Kolbenventil lange geschlossen bleibt und somit viel Kühlluft gefördert wird.

Bei schwachem Gegendruck des Verbrauchers nimmt der Verbraucher nahezu alle Luft ab, der Kompressor nimmt nur wenig Leistung auf und erwärmt sich daher auch weniger. Durch den schwachen Gegendruck bleibt das Kolbenventil bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nur kurz geschlossen, womit weniger Kühlluft gefördert wird. Man erreicht dadurch eine selbsttätige Regelung der Kühlleistung abhängig von der Kompressorbelastung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Kolbenkopf eine leicht nach außen gewölbte, zylindrische Lauffläche aus Teflon. Dadurch kann der Kolbenkopf leicht schräg im Zylinder laufen und ein Gelenk zwischen Kolbenkopf und Kolbenstange erübrigt sich. Der Kolben und die Kolbenstange sind starr miteinander verbunden, was eine Vereinfachung im Aufbau des Kompressors darstellt. Der Kolbenkopf weist dabei einen Stützring aus Metall auf, der von einem Ring aus Teflon umgeben ist, der mittels einer eingebrachten Hinterschneidung die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ausgleichen kann und dennoch für eine korrekte Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderwand sorgt. Die Außenseite des Teflonrings ist dergestalt abgeschrägt, daß auch ein sich verkippt bewegender Kolben eine korrekte Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder­ wand gewährleistet. Dadurch wird die Lagerung des Kolbenkopfes vereinfacht.

Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kolbenkompressors ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht des Kompressors,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Kompressorkolbens.

Ein Kompressor 10 besteht gemäß Fig. 1 aus einem zylindrischen Motorgehäuse 12, das einen in Kraftfahrzeugen üblichen gleich­ strombetriebenen Elektromotor einschließt, dem die elektrische Energie über ein Kabel 24 zugeführt wird. An das Motorengehäuse 12 schließt sich rechtwinkelig ein Kurbelgehäuse 14 an. Die ganze Einheit des Kompressors 10 wird über eine Befestigungs­ platte 22 befestigt.

An das Kurbelgehäuse 14 schließt sich der Zylinderkopf 16 an, der mit Kühlrippen 18 und einer Ummantelung 20 versehen ist. Das Kurbelgehäuse ist seitlich mit einer Lufteinlaßöffnung 26 versehen, durch die die zu fördernde Luft angesaugt wird. Die zu fördernde Luft wird über eine Abgabeöffnung 28 am oberen Ende des Zylinderkopfes 16 abgegeben. Eine weitere Luftauslaßöffnung 30 befindet sich am oberen freien Ende des Motorgehäuses 12. Hier entweicht die Kühlluft nach Kühlung des Elektromotors. Die Wege des Luftverlaufs sind durch Pfeile angedeutet, werden aber weiter unten noch näher erklärt.

Die Fig. 2 zeigt einen Seitenschnitt des Kompressors 10. Es sind hier Kühlluftkanäle für die Einleitung von Kühlluft, die durch einen Pfeil 80 symbolisiert ist, in das Motorgehäuse 12 erkennbar. Diese Luft durchströmt das Motorgehäuse in axialer Richtung bis zum Pfeil 82 und tritt dann durch die Öffnung 30 aus.

Im Kurbelgehäuse befinden sich Luftkanäle 46. Die Zylinder- und Kolbenanordnung wird aus Fig. 3 deutlicher. Auf einer Achse 32 des Elektromotors sitzt eine Schwungscheibe 34. An dieser ist exzentrisch mittels eines Kugellagers 50 eine Kolbenstange 36 angeordnet. Die Schwungscheibe 34 dient gleichzeitig als Dreh­ schiebersteuerung zur Steuerung der ein- und austretenden Luft. Wechselseitig werden eine Lufteintritts- und Luftaustritts­ öffnung geöffnet und geschlossen. Dazu sind verschiedene Öff­ nungsanordnungen und entsprechende Scheibenausgestaltungen möglich. Im vorliegenden Beispiel sind eine Lufteintrittsöff­ nung 52 unter dem Lufteinlaß 20 und eine Luftaustrittsöffnung 54 einander direkt gegenüberliegend angeordnet. Die zur Steuerung verwendete Schwungscheibe 34 weist ein halbkreisförmiges Schwungscheibensegment 33 mit einem gegenüberliegenden Ansatz 35 für das Kugellager 50 auf. Dadurch werden die Öffnungen 52, 54 gleichzeitig geöffnet und geschlossen, wobei kurzzeitig beide Öffnungen 52, 54 geöffnet, aber niemals beide Öffnungen 52, 54 zugleich geschlossen sind, was zu einem unerwünschten Druckauf­ bau unterhalb des Kolbens führen würde. Das Öffnen und Schließen der Öffnungen 52 und 54 erfolgt etwas nacheilend zu den oberen und unteren Umkehrpunkten eines Kolbens 58. Der Ansatz 35 der Schwungscheibe 34, an dem die Kolbenstange 36 befestigt ist, weist deswegen einen Winkel von ca. 15° zur Senkrechten bezüg­ lich des halbkreisförmigen Schwungscheibensegments 33 auf. Dieses Nachhinken der Steuerung hat sich, bedingt durch die Strömungsträgheit der Luft, als vorteilhaft erwiesen.

Die Schwungscheibe 34 hat die aus der Zeichnung ersichtliche halbkreisförmige Form und dient zugleich als Massenausgleich für den von ihr angetriebenen Kolben 58 mit Kolbenstange 36 und als Drehschiebesteuerung zur Steuerung der ein- und austretenden Luft. Oberhalb des Kolbens 58 befindet sich ein Zylinderraum 38, der nach oben hin durch ein Rückschlagventil abgeschlossen wird, welches aus einer mit Öffnungen 59 versehenen Ventilauflage­ fläche 61 besteht, auf die mittels einer Ventilfeder 66 eine Ventilplatte 62 gepreßt wird.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Kompressors näher be­ schrieben. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist eine Stellung des Kolbens in der linken Endposition gezeigt. In der entgegenge­ setzten Position ist der Kolben in seinem unteren Umkehrpunkt. Von dort bewegt sich der Kolben 58 nach oben. Dabei wird die sich im Zylinderraum 38 über dem Kolben 58 befindliche Luft komprimiert. Der Luftdruck drückt die Ventilplatte 62 gegen den Druck der Ventilfeder 66 nach oben, das Ventil 61, 59, 62 ist damit geöffnet. Die vom Kolben 58 nach oben gepreßte Luft fließt durch die Öffnungen 59 der Ventilplatte 62 in einen Zylinder­ kopfhohlraum 68 und von dort über die Luftaustrittsöffnung 28 zum Verbraucher. Bei dieser Bewegung des Kolbens 58 von unten nach oben handelt es sich um den Arbeitshub des Kompressors.

Durch diese Bewegung entsteht unterhalb des Kolbens 58 ein Unterdruck. Dies führt dazu, daß Luft angesaugt wird. Die als Drehschieberventil ausgebildete Schwungscheibe 34 hat die Luft­ eintrittsöffnung 52 freigegeben und gleichzeitig die Luftaus­ trittsöffnung 54 verschlossen, d. h. daß Außenluft über die Luft­ einlaßöffnung 26 und die Lufteintrittsöffnung 52 angesaugt wird (angedeutet durch die Pfeile 70, 72). Bewegt sich nun der Kolben 58 von seiner oberen Stellung wieder nach unten, so entsteht im Raum über dem Kolben ein stetig wachsender Unterdruck. Das Rück­ schlagventil 61, 59, 62 schließt sich, so daß keine Luft vom Verbraucher über die Öffnung 28 angesaugt werden kann. Im Kolben 58 befindet sich ebenfalls ein Ventil. Die Funktion dieses Kol­ bens 58 mit Ventil ist für die vorliegende Erfindung wesentlich und wird anhand von Fig. 4 näher beschrieben. Der Kolben 58 besteht aus einem Kopfträger 84, der mit einer Schraube 88 fest mit der Kolbenstange 36 verbunden ist.

Ein oberer Einsatz 86 weist an seinem Boden einen Kranz von Öffnungen 92 auf, durch die im geöffneten Zustand bei Abwärts­ bewegung des Kolbens 58 Luft hindurchtreten kann. Ein Kolbenring 90 aus Teflon umschließt den Einsatz 92 mit Spiel. Der Kolbenring 90 befindet sich beim Arbeitshub des Kolbens 58 an seinem unteren Anschlag. Das Ventil ist dann geschlossen. Es kann keine Luft durch den Kolbenkopf hindurchtreten. Dies ist der Fall, wenn sich der Kolben nach oben bewegt. Befindet sich der Kolbenring 90 an seinem oberen Anschlag, so ist das Ventil geöffnet. Es kann Luft durch den Kolbenkopf hindurchtreten. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 58 öffnet sich das Ventil im Kolbenkopf, sobald der Druck unterhalb des Kolbenkopfes größer wird als der Druck oberhalb des Kolbenkopfes. Der Zeitpunkt des Öffnens des Kolbenkopfventils hängt ab vom Druck, den der Ver­ braucher dem Kompressor entgegenbringt. Dieser Druck ist klein, solange der Verbraucher viel Luft abführt und steigt, wenn der Verbraucher nur noch wenig Luft wegnimmt. Solange das Kolben­ kopfventil geschlossen ist, wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens die darunter befindliche Luft verdichtet. Die als Dreh­ schieberventil ausgebildete Schwungscheibe 34 hat inzwischen die Lufteintrittsöffnung 52 verschlossen und die Luftaustritts­ öffnung 54 freigegeben. Die vom Kolben nach unten gedrückte Luft strömt durch diese Öffnung 54 gemäß eingezeichneter Pfeile 74 durch den Kanal 46 des Kurbelgehäuses 14 in den Zylinderkopf 16 und an den Kühlrippen 18 vorbei. Im oberen Teil des Zylinderkopfes wird der Luftstrom gemäß den Pfeilen 76 umge­ lenkt und durch einen Kanal 48 auf der anderen Seite des Kurbel­ gehäuses 14. Durch eine Öffnung 56 verläßt die Luft das Kurbel­ gehäuse gemäß Pfeil 80 und tritt in das Motorgehäuse 12 ein, wobei sie kühlend an einem nicht dargestellten Elektromotor üblicher Bauart vorbeiströmt. Sie verläßt das Motorgehäuse 12 durch eine Öffnung 30 wie durch den Pfeil 82 angedeutet.

Wenn durch Druckabfall über dem Kolben 58 das Ventil im Kolbenkopf sich wieder öffnet, wird beim weiteren Nachuntenbe­ wegen des Kolbens 58 keine weitere Luft für Kühlzwecke gefördert, aber Luft in den Arbeitsraum 68 angesaugt. Setzt der Verbraucher dem Kolben 58 einen hohen Druck entgegen, nimmt der Kompressor viel Leistung auf, um gegen diesen Druck anzuarbeiten. Gleichzeitig steigt aber auch die Menge der für Kühlzwecke geförderten Luft, da durch den großen Druck von oben auf den Kolben 58 das Kolbenkopfventil lange geschlossen bleibt und so ein großer Teil des Leerhubes zur Förderung von Luft, die über die Öffnung 54 zu Kühlzwecken durch das Zylindergehäuse und am Elektromotor vorbeigeleitet wird, genutzt werden kann. Setzt der Verbraucher dagegen dem Kolben 58 nur einen geringen Druck entgegen, nimmt der Kompressor auch nur wenig Leistung auf. Es wird keine so hohe Kühlleistung benötigt, die auch nicht zur Verfügung gestellt wird, da durch den geringen Druck von oben auf den Kolben 58 das Kolbenkopfventil sich bei der Abwärtsbe­ wegung schnell wieder öffnet und so nur ein geringer Teil des Leerhubes zur Förderung von Kühlluft verwendet werden kann.

Die Mantelfläche des Kolbens weist nur am oberen Rand einen sehr kurzen zylindrischen Abschnitt mit dem Durchmesser des Zylinders auf und verjüngt sich dann nach unten mit einem Winkel von ca. 5° zu der Mantelfläche des Zylinders. Durch diese schräg zulau­ fende Form der Außenkante des Teflonringes 90 ist auch beim verkippten Lauf des Kolbens 58 eine saubere Abdichtung gewähr­ leistet. Es erübrigt sich damit eine zusätzliche Lagerung des Kolbens 58. Er kann mit der Kolbenstange 36 fest verbunden sein.

Weiterhin soll der Kolben ohne Schmiermittel in einem Zylinder aus Eloxal-Aluminium oder einer ähnlichen Metallegierung laufen. Demgegenüber wird als Material für die Laufflächen des Kolbens vorzugsweise Teflon gewählt. Um den wesentlich größeren Aus­ dehnungskoeffizienten von Teflon gegenüber Metall über den großen Temperaturbereich auszugleichen, über den der Kompressor eingesetzt werden soll, weist der Kolbenmantel aus Teflon eine ringförmig verlaufende Nut an seiner Oberseite in der Nähe der Seitenwand auf. In dieser ist ein Metallring 94, beispielsweise aus Stahl oder aus Aluminium, angebracht, der nach oben hin durch eine eingepreßte Schraubenfeder 96 gesichert ist. Der Teflonring 90 weist weiterhin radial nach innen versetzt, eine weitere, nach unten offene ringförmig verlaufende Hinterschnei­ dung 98 auf. Durch diese Hinterschneidung kann sich der innere Teil des Teflonkopfes beliebig über die Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen, ohne daß der Durchmesser des Metallrings 94 durch Druck oder Zug von innen beeinflußt wird. Durch diese Anordnung ändert sich der Außendurchmesser des Teflonkolben­ kopfes mit dem Ausdehnungskoeffizienten des Metalls, aus dem der Zylinder besteht, wenn der Metallring 94 aus demselben Metall hergestellt ist. Somit wird eine über die Temperatur gleich­ bleibende Passung zwischen dem Kolbenkopf aus Teflon und dem Metallzylinder und damit eine entsprechende Dichtigkeit sicher­ gestellt.

Claims (10)

1. Elektrisch angetriebener Kolbenkompressor für gasförmige Medien insbesondere Luft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des vom Kompressor (10) angesaugten Mediums (70) zur Kühlung von Zylinderkopf und/oder Antriebsmotor dient, indem eine Kolbenstange (36) nur einseitig beweg­ lich auf einer Schwungscheibe (34) gelagert ist, die zugleich als Drehschieberventil ausgebildet ist derart, daß sie beim Arbeitshub eines fest mit der Kolbenstange (36) verbundenen Kolbens (38) eine Öffnung (52) freigibt, durch die das Medium von außen angesaugt wird und beim Leerhub des Kolbens (38) diese Öffnung (52) wieder verschließt und dafür eine zweite Öffnung (54) freigibt, durch die das beim Leerhub verdichtete Medium über Kanäle (46, 48) im Kurbelgehäuse (14) und am Zylinderkopf (16, 18) sowie am elektrischen Antrieb (12) vorbei nach außen (30, 82) geleitet wird.

2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Drehschieberventil ausgebildete Schwungscheibe (34) so ausgebildet ist, daß das wechselseitige Öffnen und Schließen der Öffnungen (52, 54) nach hinten versetzt zu den oberen und unteren Umkehrpunkten des Kolbens (58) er­ folgt.

3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Öffnungen für den Luftein- und Luftaustritt (52, 54) einander direkt gegenüber liegen.

4. Kolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungscheibe (34) aus einem halbkreisförmigen Segment (33) besteht, das einen über den Drehpunkt (32) hinausragenden Ansatz (35) aufweist, an dem exzentrisch die Kolbenstange (36) angelenkt ist.

5. Kolbenkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (35) der Schwungscheibe (34) einen Winkel von ca. 15° zur Senkrechten auf das halbkreisförmige Schwungscheibensegment (33) einnimmt.

6. Kolbenkompressor, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (58) ein während seines Arbeitshubes im wesentlichen geschlossenes und während seines Leerhubes im wesentlichen geöffnetes Ventil umfaßt.

7. Kolbenkompressor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (58) einen Stützring aufweist, der aus einem von einem Teflonring (90) umgebenen und durch eine eingepreßte Wendelfeder (96) gesicherten Metallring (94) besteht.

8. Kolbenkompressor nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teflonring (90) eine Hinterschneidung (98) aufweist, wodurch eine Elastizität erreicht wird, die die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwende­ ten Materialien ausgleicht.

9. Kolbenkompressor nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkanten des Teflonrings (90) eine schräg zu­ laufende Form aufweisen, wodurch auch beim verkippten Lauf des Kolbens (58) eine korrekte Abdichtung gewährleistet ist.

10. Kolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Zylinderkopfes (16) mit Kühlrippen (18) und mit einer schlecht wärmeleitenden Umhüllung (20) umgeben ist.