DE6609467U

DE6609467U - Pumpe fuer gasfoermige medien.

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Publication number: DE6609467U
Application number: DE6609467U
Authority: DE
Original assignee: Kellogg American Inc
Current assignee: Kellogg American Inc
Priority date: 1966-08-11
Filing date: 1967-08-11
Publication date: 1972-05-25
Also published as: DE1628187A1; US3375972A; GB1168527A

Description

Die Neuerung "bezieht sich auf Pumpen für gasförmige Medien und insbesondere auf Kompressoren und Vakuumpumpen der ölfreien Bauart mit einem, auf einem Gestell, beispielsweise einem Motor- oder Maschinengehäuse, gelagerten Zylinder und einem, in diesem verschiebbar gelagerten Kolben, der mit der Abtriebswelle des Motors durch einen Exzenter und eine Treibstange verbunden ist. Bei der Benutzung als Kompressor werden die Pumpen gewöhnlich so bemessen, das3 sie einen bestimmten Austrag an verdichteter Luft oder anderem Gas liefern, der von verschiedenen Faktoren, einschließlich Zylinderdurchmesser, Hub des Exzenters, der den Kolbenhub bestimmt, und der Geschwindigkeit der Motorwelle abhängt. Der Wirkungsgrad des Kompressors variiert

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direkt mit der Menge durch jeden Kolbenhub evakuierten Gases und damit indirekt mit dem Totraumvolumen zwischen Kolben und Zylinderteilen, wenn sich der Kolben in der oberen Totpunktülage befindet. Um die Verwendung von ül zu vermeiden, ist eine Buchse aus ölfreiem, selbstschmierendem Lagermaterial zwischen Kolben und Zylinder eingesetzt.

Neuerungsgemäß soll nun eine Pumpe der oben beschriebenen Art geschaffen werden, die billig und einfach hinsichtlich der Konstruktion ist und die Abweichungen in den Herstellungstoleranzen kompensiert und bei der es möglich ist, das gleiche minimale Totraumvolumen zwischen Kolben und Zylinderteilen für einen gleichmäßig hohen Wirkungsgrad zu erreichen, wenn Exzenter mit verschiedenen unterschiedlichen Ausgangsgeschwindigkeiten der Abtriebswelle benutzt werden.

Insbesondere soll neuerungsgemäß der Zylinder auf das Gestell neuartiger Art und Weise aufgebracht werden, um die Stellung des Zylinders gegenüber der Antriebswelle verändern zu können und das gleiche Totraumvolumen mit Exzentern unterschiedlichen Hubes zu erhalten.

Erreicht wird dies bei einer Pumpe für ein gasförmiges Medium mit einem Gestell, einer hierauf gelagerten Abtriebswelle, einem Zylinder mit Zylinderkörper, Einrichtungen, die diesen Zylinder auf diesem Gestell bei radialer Lagerung der Achse des Zylinderkörpers zur Welle, mit einem Zylinderkopf mit Ein- und Auslaßöffnungen, der an den Zylinderkörper auf der anderen Seite wie diese Welle be-

festigt ist, und mit einer Ventilanordnung auf dem erstgenannten Ende des Zylinderkörpers mit Einlaß- und Auslaßventilen, die jeweils mit Ein- und Auslaßöffnungen in Verbindung stehen, und einem in diesem Zylinder verschiebbaren Kolben sowie einem, mit der Welle drehbaren und mit dem Kolben verbundenen Exzenter, dadurch, daß die Lagereinrichtungen Führungselemente umfassen, die eine Verschiebung des Zylinderkörpers relativ zum Gestell übu in eine unterschiedliche Lage relativ zur Welle erlauben, wodurch durch den Kolben ein minimales lotraumvolumen, bestimmt durch Kolben. Zylinderkörper und Ventilanordnung geschaffen wird, wenn der Kolben sich in seiner äußeren Sotpunktlage befindet und wenn der Exzenter durch einen solchen mit unterschiedlichem Hub ersetzt ist·

Vorteilhaft ist die Zylinderbüchse in einer besonderen Art und V/eise ausgebildet, die eine einfache und billige Herstellung sowie einen zweckmäßigen Einbau erlaubt, die darüber hinaus leicht an ihrem Ort zwischen Kolben und Zylinder gehalten werden kann und die die Wärmeabfuhr vom Kolben erleichtert.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Neuerung soll nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert ,werden, in denen

Fig. 1 ein Vertikalschnitt durch eine neuerungsgemäße Ausführungsform mit Motor und Kompressor ist, wo-"bei der Schnitt längs der Linie 1-1 in Fig. J> gelegt ist und ein Gehäuse für einige Kompressorteile fortgelassen wurde;

Pig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Motοr/Kompressorkombination, wobei der Kompressor im Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. ι* ist eine isometrische Ansicht einer Lagerbüchse für den Kolben des Kompressors.

Eine Pumpe 9 wird als Kompressor benutzt und ist auf dam Gehäuse eines Elektromotors 10 gelagert. Der Kompressor besteht im wesentlichen aus einem Kolben 11, der verschiebbar in einem Zylinder 12 gelagert ist und mit einer Abtriebswelle 13 3es Motors durch einen Exzenter 14 und eine Treibstange 15 verbunden ist. Der Zylinder besteht aus einem Zylinderkörper 16 mit einer Bohrung 17, die auf beiden Seiten offen ist sowie einem Zylinderkopf 18 an einem Ende des Zylinderkörpers, der hieran über Stehbolzen 19 befestigt ist. 2er Zylinderkörper ist an einer Halteplatte 20 befestigt, die starr mit einem Ende des Motor-.'gehäuses verbunden ist, wobei die Achse der Bohrung längs eines Radius der Motorwelle liegt. Der Kopf ist in Einlaß- und Auslaßkammern 21 und 22 unterteilt und weist entsprechende Öffnungen 23 und 24 auf, die jeweils mit der Zylinderbohrung durch Einlaß- und Auslaßventils 25 und 26 einer Ventilanordnung 27 in Verbindung stehen, die in diesem Fall zwischen dem Kopf und dem Zylinderkörper eingesetzt ist.

Der Kolben 11 besitzt zylindrische Form und ist an einem Ende durch einen Flachkopf 28 abgeschlossen, ist am anderen Ende offen und nimmt die Treibstange 15 auf. Im Axialab-

stand angeordnete, nach außen sich öffnende Umfangsnuten in der Nähe des Kopfendes des Kolbens nehmen Diclrcungs- bzw. Kolbenringe 29 auf, die aus einem geeigneten selbstschmierenden Material, beispielsweise einem Mischpolymerisat, Texrafluoräthylen, das unter dem Handelsnamen "Teflon" verkauft wird, oder einer Verbindung eines solchen Materials gebildet sind. Die Hinge sind flexibel und in diesem Falle durch nicht dargestellte Blattfedern unterlegt, die zwischen den .Ringen und den Wutenböden zur Auswirkung kommen und die Ringe nach außen gegen die Wand der Bohrung 1? drücken,.

Zur Verbindung des Kolbens 11 mit der Treibstange 15 wird ein Kolbenbolzen 30 in diametral ausgerichtete Löcher in der Zylinderwand des Kolbens gepreßt und in Lagern 31 an einem .ende der Stange drehbar gelagert. Am anderen Ende ist die Stange auf dem Exzenter 14 unter Zwischenschaltung einer Kugellageranordnung 32 gelagert. Der Exzenter besteht einfach aus einem zylindrischen Stopfen mit einer Bohrung und einer gegen die Achse versetzten Keilnute zur Aufnahme der Motorausgangswelle 13 und eines Keiles 33 > wobei Exzenter und Keil an der Welle mittels einer Kopfschraube gesichert sind. Wenn, wie im vorliegenden Fall, nur ein einziger Zylinder vorgesehen iät, so gleicht man bevorzugt das versetzte Gewicht des Exzenters durch ein geeignetes, mit der Welle verbundenes Gegengewicht 34 aus. Ein Propellergebläse 35 ist an der Motorwelle hinter dem Exzenter befestigt und drückt Kühlluft nach innen durch öffnungen in einem Gehäuse 36 um den Exzenter und das Innenende des Kolbens und in das Motorgehäuse, welches über geeignete, nicht dargestellte Öffnungen entlüftet v.ird.

Der beschriebene Kompressor 9 saugt Luft in die Zylinderbohrung 17 durch das Einlaßventil 25 und die Einlaßöffnung 23 beim Ansaughub des Kolbens vom Zylinderkopf 18 fort und drückt diese durch das Auslaßventil 26 und die Öffnung 24 beim Druckhub in entgegengesetzter Hichtung. Da der Kompressorwirkungsgrad direkt mit der während jedes Kompressionshubes evakuierten Luft sich verändert, ist es wünschenswert, daß das durch Kolbenboden, Zylinderinnenmantel und Ventilanordnung begrenzte Totraumvolumen so klein wie möglich wird, wenn der Kolben 11 sich in seiner Totpunktstellung befindet.

Die Ventilanordnung, nach der sogenannten Y/affel- oder Wabenbauart ausgelegt, weist eine sandwichartig zwischen zwei dünne Metallfolien 39 gelegte Mittelplatte 38 auf, wobei diese Folien zur Bildung kantilever Blattfedern ausgeschnitten sind. Mit ihren freien Enden liegen die Blattfedern gegen den Umfang der Bohrung 41 in der Platte an und bilden die Ventile, wobei das Blattfedereinlaßventil auf der Innenseite der Platte, die Auslaßventilblattfeder auf der entgegengesetzten Seite angeordnet ist; die Anordnung wird zwischen Kopf und Zylinderkörper verklemmt, am Umfang werden Ausschnitte 42 in Platte und Folie vorgesehen, die die Stehbolzen 19 aufnehmen. Die Innenseite der Einlaßventilfolie bildet die Innenfläche 37 parallel zum Ventilkopf, innerhalb des Bereiches der Zylinderbohrung gelegen, und ist flach bis auf die Bohrung für das Austrittsventil und bis auf den Ausschnitt um die Einlaßventilfeder 40 herum ausgebildet.

Ein Kompressor der oben beschriebenen Art wird gewöhnlich mit einem Synchronmotor verwandt und ist nach Kubikmetern

pro Minute entsprechend der Leistungsbemessung des Motors, der Geschwindigkeit der Motorwelle und der Verschiebung des Kolbens bemessen, die von der Länge des Hubes und dem Durchmesser der Zylinderbohrung abhängt. Sind Kompressor und Motor für eine Geschwindigkeit abhängig von der Frequenz des elektrischen Stromes, beispielsweise 60 Hertz, wie in USA üblich, ausgelegt, so würde der Betrieb bei einer anderen Frequenz, beispielsweise 50 Hertz, wie sie in den meisten europäischen Ländern zur Verfugung steht, zu einem Verlust in der Ausgangsleistung führen, es sei denn, ein Exzenter mit einem unterschiedlichen Hub und einem entsprechend unterschiedlichen gebauten Zylinder wäre für die andere Geschwindigkeit vorgesehen.

Neuerungsgemäß wird nun der Zylinder 12 in neuartiger Weise bezüglich der Welle 13 gelagert, oo daß der gleiche Zylinder verwandt werden muß, nur der Exzenter 14 muß geändert werden, um die unterschiedliche Geschwindigkeit zu kompensieren und trotzdem gleiche Leistung und gleichen Wirkungsgrad zu erhalten. Diese verbesserte Anbringung macht es auch möglich, Abweichungen in den Herste"U-ungstoleranzen zu kompensieren und das Totraumvolumen des Motors zum Betrieb bei maximalem Motorleistungsgard anzupassen. Hierzu sind neuartige Anbringungs- oder Lagereinrichtungen vorgesehen, um die Lage des Zylinders längs zu seiner Achse und radial zur Welle zu ändern und um den Zylinder in unterschiedlichen Stellungen zu befestigen und so die gewünschten Totraumvolumina für verschiedene Exzenter und Motoren zu erreichen. Die Lagereinrichtungen umfassen Führungselemente 43 und 44 auf der Halteplatte 20 am Motor und auf beiden Seiten des Zylinders; darüber hinaus sind Befestigungselemente 45 vorgesehen, um den

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Zylinder fest an seinem Ort zu halten.

Aus C-ründen der Einfachheit und der Wirtschaftlichkeit "bei der Konstruktion werden die Führungselemente 43 und vorteilhaft in Form von Stift- und Schlitzverbindungen zwischen der Halteplatte 20 auf dem Motor und Flanschen 46 vorgesehen, die von beiden beiten des Zylinderkörpers 16 abstehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei solcher Verbindungen jeweils mit einer Führ¹'ng 43 in l'orm eines Schraubenbolzens vorgesehen, der starr von der Halteplatte auf den Motor absteht; das andere Führungselement 44 besitzt die Form eine?: Schlitzes. Die beiden Schlitze sind in den Flanschen des Zylinderkörpers ausgebildet und liegen parallel zur Zylinderachse. Die Befestigungselemente 45 sind Muttern, die auf die Schraubbolzen aufgeschraubt werden und die Flansche gegen die Halteplatten drücken, um die Zylinder fest in der gewünschten Lage zu halten.

Um die Verwendung von Öl oder irgendeinem anderen flüssigen Schmiermittel zu vermeiden, is"; eine Zylinderbüchse 47 aus selbstschmierendem Material um den Inn-snteil des Kolbens 11 zwischen den Kolbenringen 29 und dem inneren offenen Ende des Kolbens vorgesehen. Nach einem weiteren Merkmal der Neuerung sind lager und zugehörige Teile des Kolbens neuartig ausgestaltet und vereinfachen die Konstruktion \xiA Anordnung der Teile und sorgen ebenfalls für einwandfreien Betrieb, da diese Teils Jich während des Betriebes erwärmen. Das Lager besteht so aus einer endlosen Büchse, die um einen Zwischenteil 48 des Kolbens herum sitzt; letzterer ist als Schieber ausgebildet, wobei die Flansche

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49 und 50 radial und nach außen von beiden Enden des Zwischenteiles abstehen und die Hülse auf diesem Teil halten. Um die Verwendung einer endlosen Büchse und einen strammen Sitz der Büchse auf dem Kolben zu ermöglichen, sind Schlitze 51 auf jeder Seite der Büchse vorgesehen, die fast bis zur anderen Stirnseite durchgehen und über die Büchse im Abstand voneinander verteilt angebracht •sind= Die von äedem Ende der Büchse nach innen reichenden Schlitze wechseln am Umfang mit den anderen Schlitzen vom anderen Ende ab und überlappen sich mit den anderen Schlitzen in Höhe ihrer benachbarten innen gelegenen Enden.

Die Schlitze 51 dienen dazu, Wärme vom Kolben während des Kompressorbetriebes abzuführen, indem gegenüberliegende Seitenwände jedes Schlitzes voneinander am Umfang der Büchse 47 durch Abstände getrennt werden. Im vorliegenden Falle besitzen die Schlitze im Abstand voneinander angeorndete parallele Seitenwände parallel zur Achse der Büchse. Der Außendurchmesser der Flansche 49 und 50 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Zylinderbohrung 17 und ist kleiner als der Außendurchmesser, jedoch größer als der Innendurchmesser der Büchse, wenn die Büchse auf dem Kolben angeordnet ist.

Um einen strammen Sitz der Büchse 47 auf dem Kolben zu erreichen, ist der entspannte Innendurchmesser der Büchse vorzugsweise geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Zwischenteiles 48 des Kolbens zwischen den Flanschen 49 und 50. Der Außenflansch besitzt eine größere axiale Erstreckung als der Innenflansch und bietet kaum zur Ausbildung von Nuten für die Kolbenringe 29.

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Ein geeignetes Material für die Büchse 47 ist das gleiche Mischpolymerisat, das für die Kolbenringe 29 verwandt wurde, wobei dieses Material einen hohen Wärmeexpansionskoeffizia±en besitzt. Zylinderkopf 18, Zylinderkörper 16 und Kolben 11 bestehen aus im Spritzgußverfahren hergestellten Aluminiumteilen,

Beim Zusammenbau der Einzelteile wifu die ZyIinuujrbüohne 47 auf den Kolben 11 aufgesetzt, nachdem der Kolbenbolzen 30 in ausgefluchtete Bohrungen und in das Lager 31 auf der Treibstange 15 eingesetzt wurde. Jurch die Schlitz© 51 in der Büchse und aufgrund ihrer axial sich überlappenden Anordnung kann die Büchse axial über einen der Kolbenflansche 47 teleskopartig geführt werden, selbst wenn der entspannte Innendurchmesser der Büchse kleiner ist als der Außendurchmesser des Zwischenteiles 48 des Kolbens. Einmal am Ort zwischen den Flanschen 49 und 50 kontrahiert die Büchse geringfügig um den Zwischenteil und wird an ihrem Ort durch Plansche während dar Axialbewegung des Kolbens innerhalb der Zylinderbohrung 17 gehalten· Aufgrund der Radialerstreckung über die Plansche hinaus berührt die Büchse die Bohrungswand und liefert ein Antifriktions-Selbstschmierlager für den Kolben.

Nach Aufsetzen von Exzenter 14 und Treibstange 15 auf die iWelle 13 und Einbau des Kolbens 11 in den Zylinderkörper 16 wird der Körper in der gewünschten Lage angeordnet, wobei seine Achse mit dem Radius der Welle fluchtet. Um den Zylinder in dieser Lage zu lokalisieren und den gewünschten Minimaltotraum zwischen Kolbenkopf 28 und der inneren flachen Seitenfläche 37 der Ventilanordnung zu schaffen,

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werdeü Welle und Exzenter gedreht, bis der Kolben sich in st-iner oberen Totpunktlage befindet.

Eine Dichtung von einigen tausendstel Zentimetern bzw. Zoll Dicke wird dann auf den Kolbenkopf aufgesetzt und unter Verwendung eines Lineals quer zum Kopf des Zylinderkörpers wird dieser radial, wie es die Schlitze 44 erlauben, verschoben, bis die Außenfläche des Zylinderkörpers und der Kolbenkopf in der gleichen Ebene liegen. Befinden sich die Teile in dieser lage, so werden die Muttern 45 an den Schraubenbolzen 43 angezogen und halten so den Zylinder fest an seinem Ort. Schließlich werden Dichtungen mit einigen tausendstel Millimetern bzw. Zoll Dicke zwischen Zylinderkörper und Ventilanordnung sowie zwischen der letzteren und dem Zylinderkopf angeordnet; Ventilanordnung 47 und Zylinderkopf werden an ihrem Ort verbolzt, die Dichtung zwischen dem Zylinderkörper und der Ventilanordnung bestimmt den Minimaltotraum zwischen Kolbenkopf und Ventilanordnung.

Soll nun c?er neuerungsgemäße Kompressor mit einem Mo'-or unterschiedlicher Geschwindigkeit, bei der ein Exzenter mit anderem Hub erforderlich ist, für eine Kompensation der unterschiedlichen Geschwindigkeit, verwandt werden, so kann man den gleichen Zylinder mit unterschiedlichem Exzenter benutzen, und doch die gleiche Kompressorleiistung erreichen. Es ist lediglich erforderlich, nach Auswechslung des Exzenters, den Zusammenbau des Zylinders zu wiederholen, den Zylinderkörper aber radial zur Welle in eine andere Stellung minimalen Totraumvolumens zu verschieben, wie dies durch die Stift- und Schlitzverbindungen

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45, 44 zwischen Zylinderkörperflanschen 46 und der Motorgrundplatte 20 möglich ist.

-Schutzansprüche -

Claims

Ill* - 13 - Schut zansprüche :

1. Pumpe für gasförmige Medien mit einem Gestell, einer hierin gelagerten Abtriebswelle, Einrichtungen, die einen Zylinder auf dem Gestell mit der Zylinderkörperaclise radial zur ¥/elle lagern, einem Kopf mit Ein- und Auslaßöffnungen, der an das der Welle abgelegene Ende des Zylinderkörpers befestigt ist, einer Ventilanordnung auf dem Ende des Körpers mit Ein- und Auslaßventilen, die jeweils mit Ein- und Auslaßöffnungen in Verbindung stehen sowie einem in diesem Zylinder verschiebbarC'Ti Kolben und einem mit der Welle drehbaren Exzenter, der mit dem Kolben verbunden ist und den Kolben entsprechend eine ι Hub gleich dem Exzenterhub während der Drehung der Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zum Lagern des Zylinders (12) auf dem Gestell (2o) aus Führungselementen (43 und 44) bestehen, die so ausgebildet sind, daß sie ein Verschieben des Zylinderkörpers relativ zum Gestell (2o) ermöglichen und in der Lage sind, den Zylinderkörper in eine andere Stellung radial zur Welle zu verschieben und ein durch Kolben, Zylinderkörper und Ventilanordnung begrenztes Totraumvolumen zu schaffen, wenn der Kolben sich in seiner Totpunktstellung befindet und der Exzenter durch einen mit unterschiedlichem Hub ersetzt ist.

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2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente aus Stift (43) - und Schlitz (44) Verbindungen zwischen Zylinderkörper (16) und Gestell (2o) bestehen.

3« Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente als Schlitze (44) an Flanschen (46) auf diesem Zylinderkörper (16) ausgebildet sind und parallel zur Zylinderachse liegen und dass starre Stifte vom Gestell in diese Schlitze hineinreichend vorgesehen sind.

4· Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dia Ventilanordnung (27) eine flache Oberfläche (37) in einer Ebene normal zur Zylinderachse auf der Innenseite der Anordnung in der Hähe der Innenseite des Körpers aufv/eist, die sich im wesentlichen über den gesamten Bereich dieser Seite erstreckt, wobei der Kolben (11) eine flache Innenfläche (28) parallel und gegenüber der flachen Ventilanordnungsfläche (37) aufweist, und daß ein Minimaltotraum zwischen der flachen Kolben-Λ-äche (28) und der flachen Ventilfläche (37) belassen ist.