EP1963674A1 - Wassergekühlter kolbenverdichter - Google Patents

Wassergekühlter kolbenverdichter

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EP1963674A1
EP1963674A1 EP06829571A EP06829571A EP1963674A1 EP 1963674 A1 EP1963674 A1 EP 1963674A1 EP 06829571 A EP06829571 A EP 06829571A EP 06829571 A EP06829571 A EP 06829571A EP 1963674 A1 EP1963674 A1 EP 1963674A1
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements

Definitions

  • Piston compressors also generate heat which is dissipated to the outside. Otherwise, a piston compressor in continuous operation would heat up so much that its components - in particular seals - can take damage. If it is not possible to use an air-cooled reciprocating compressor due to structural constraints, a water-cooled reciprocating compressor of interest here is required. In a water-cooled piston compressor, the area of the piston-cylinder pairings is cooled by a coolant circuit known per se. Water-cooled reciprocating compressors of the type of interest here can be driven via a crank drive, a swash plate drive or the like.
  • DE 103 08 430 A1 discloses a water-cooled reciprocating compressor with a swashplate drive. Two piston-cylinder pairs are driven by a swashplate engine.
  • the swashplate engine converts an input-side rotary motion into an oscillating linear motion for the pistons within the cylinders so that air from the environment can be compressed into compressed air via interaction with intake and exhaust valves.
  • a chamber is provided in the cylinder region in this known reciprocating compressor, which is flowed through by the coolant.
  • the chamber is formed by cylinder liners and a cylinder housing surrounding these cylinder liners.
  • the cylinder liners are each pot-shaped, so that the coolant acts in the region of the shell and end face of the cylinder.

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Description

Wassergekühlter Kolbenverdichter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen wassergekühlten Kolbenverdichter mit mindestens einem Kolben zum Komprimieren von Luft, der mit Mitteln zur Erzeugung einer linear oszillierenden Antriebskraft antreibbar ist, und der axial bewegbar in einem über einen Zylinderkopf stirnseitig verschlossenen Zylindergehäuse untergebracht ist, das mit Mitteln zur Wasserkühlung versehen ist.
Kolbenverdichter der hier interessierenden Art werden vornehmlich eingesetzt in der Kraftfahrzeugtechnik. Insbesondere im Schienenfahrzeugbau kommen Kolbenverdichter als Drucklufterzeugungsaggregat zum Einsatz. Die so erzeugte Druckluft wird bei Schienenfahrzeugen verwendet zum Betrieb der Bremsanlage, zur aktiven Federung und dergleichen. Das Komprimieren von Luft innerhalb der Kolben-Zylinder-Paarungen von
Kolbenverdichtern erzeugt auch Wärme, welche nach außen abzuführen ist. Ansonsten würde sich ein Kolbenverdichter im Dauerbetrieb so stark aufheizen, dass seine Bauteile - insbesondere Dichtungen - Schaden nehmen können. Falls es wegen baulicher Randbedingungen nicht möglich ist, einen luftgekühlten Kolbenverdichter zu verwenden, ist ein hier interessierender wassergekühlter Kolbenverdichter erforderlich. Bei einem wassergekühlten Kolbenverdichter wird der Bereich der Kolben-Zylinder-Paarungen über einen an sich bekannten Kühlmittelkreislauf gekühlt. Wassergekühlte Kolbenverdichter der hier interessierenden Art können über einen Kurbeltrieb, einen Taumelscheibentrieb oder dergleichen angetrieben werden.
Aus der DE 103 08 430 Al geht ein wassergekühlter Kolbenverdichter mit Taumelscheibentrieb hervor. Es werden zwei Kolben-Zylinder-Paarungen über ein Taumelscheibentriebwerk angetrieben. Das Taumelscheibentriebwerk wandelt eine eingangsseitige Drehbewegung in eine oszilierende Linearbewegung für die Kolben innerhalb der Zylinder um, so dass über ein Zusammenwirken mit Einlass- und Auslassventilen Luft aus der Umgebung zu Druckluft komprimierbar ist. Zur Wasserkühlung ist bei diesem bekannten Kolbenverdichter im Zylinderbereich eine Kammer vorgesehen, welche vom Kühlmittel durchströmt ist. Die Kammer ist gebildet von Zylinderlaufbüchsen und einem diese Zylinderlaufbüchsen umgebenden Zylindergehäuse. Die Zylinderlaufbüchsen sind jeweils topfϊÖrmig geformt, so dass das Kühlmittel im Bereich von Mantel- und Stirnfläche des Zylinders wirkt. Nachteilig hierbei ist, dass eine stirnflächige Kühlung nur dadurch erzielbar ist, indem die innenliegenden Zylinderbüchsen entsprechend umgeformt werden. Des Weiteren sind sowohl im Bereich der Stirnfläche als auch im Bereich der unteren Mantelfläche Dichtungen erforderlich, um die innenliegenden Zylinderbüchsen gegenüber dem diese umgebenden Zylindergehäuse sowie der stirnseitig an den Zylinderbüchsen zur Anlage kommenden Ventilplatte abzudichten. Eine Leckage eine dieser Dichtungen würde das Eindringen von Kühlwasser in den Luftbereich des Kolbenverdichters zur Folge haben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wassergekühlten Kolbenverdichter zu schaffen, welcher in fertigungstechnisch einfach auszuführender Weise eine effiziente Kühlung des Zylinderbereichs inklusive Zylinderkopf sicherstellt.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem wassergekühlten Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur Wasserkühlung ein doppelwandig urgeformtes Zylindergehäuse umfassen, in dessen dem Zylinderkopf zugewandten Stirnfläche mehrere Kühlöffnungen angeordnet sind, über welche das das doppelwandige Zylindergehäuse durchströmende Kühlwasser in Kontakt mit dem Bereich des Zylinderkopfes kommt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass sich die stirnflächenseitigen Kühlöfrhungen ohne großen fertigungstechnischen Aufwand herstellen lassen, weil diese beim Gießen des doppelwandigen Zylindergehäuses sowieso an geeigneter Stelle vorzusehen sind. Denn über die Kühlöffiiungen erfolgt das Entfernen der Sandkerne, welche die Doppelwandung erzeugen. Diese gießtechnisch bedingten Öffnungen werden nun erfindungsgemäß an Stellen angeordnet, wo sie nach dem Herstellungsprozess des Zylindergehäuses zu Kühlzwecken genutzt werden können. Es ist hierfür lediglich erforderlich, die gießtechnisch bedingten Öffnungen derart an der Stirnfläche des Zylindergehäuses in Größe oder Abstand zueinander zu platzieren, dass es sich der weiteren Verwendung auch der gewünschte Kühleffekt einstellt.
Vorzugsweise besteht der im Bereich des Zylinderkopfes aus einer an der Stirnfläche des Zylinders zur Anlage kommenden Ventilplatte, an welche wiederum der Zylinderkopf angeordnet ist. Damit befindet sich die Ventilplatte sandwichartig zwischen dem
Zylindergehäuse und dem Zylinderkopf. Bei dieser Anordnung tritt die Ventilplatte in einen direkten Kontakt mit dem Kühlmittel. Da die Ventilplatte wegen der hierin eingebrachten Einlass- und Auslassventile ein hoch temperaturbeanspruchtes Bauteil darstellt, ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine direkte Kühlung über die angrenzenden Kühlöffnungen des Zylindergehäuses.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass die Ventilplatte mindestens einen mit einem der Kühlöffnungen des Zylindergehäuses korrespondierenden Einlass zum Weiterleiten des Kühlwassers in den Bereich des Zylinderkopfes hinein aufweist. Hiermit besteht dann die Möglichkeit, Kühlmittel über den Einlass und mit diesem in Verbindung stehende Kühlmittelkanäle der Ventilplatte zur örtlich nahen Kühlung des Einlass- und Auslassventilbereichs der Ventilplatte zu verwenden. Des Weiteren kann die Ventilplatte einen weiterführenden Auslass zum Weiterleiten von Kühlwasser in den Zylinderkopf hinein aufweisen. In diesem Falle kann der benachbart zur Ventilplatte angeordnete Zylinderkopf mit Kühlmittelkanälen zur Leitung des Kühlwassers durchzogen sein. Besonders vorteilhaft ist eine Führung der Kühlmittelkanäle um den Bereich des Druckluftauslasses des Kolbenverdichters herum, womit die durch den Verdichtungsvorgang aufgeheizte Druckluft vor Verlassen des Zylinderkopfes direkt abgekühlt wird.
Ferner wird vorgeschlagen, außen am Zylindergehäuse mindestens einen Kühlmittelanschluss als Einlass für das Kühlmittel anzuordnen. Der als Auslass für das aufgeheizte Kühlmittel erforderliche Kühlmittelanschluss kann entweder ebenfalls im Zylindergehäuse oder am Zylinderkopf angeordnet sein. Die letztgenannte Anordnung bietet sich dann an, wenn Kühlmittel neben der Kühlung des Zylindergehäuses auch eine Kühlung von Ventilplatte und/oder Zylinderkopf wahrnimmt. Gemäß einer weiteren, die Erfindung im Hinblick auf eine maximale Kühleffizienz fortbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Kühlmittel ausgehend von dem den Einlass bildenden Kühlmittelanschluss das Zylindergehäuse beidseitig umströmt, um eine gleichmäßige Kühlwirkung zu erzielen. Daneben ist es auch möglich, dass Kühlmittel auch nur von einer Richtung her das Zylindergehäuse umströmen zu lassen. Entsprechende Kanäle und Sperrwände können im doppelwandigen Zylindergehäuse gießtechnisch hergestellt werden. Hiermit ist es beispielsweise auch möglich, den Kühlmittelstrom in Axialerstreckung des Zylindergehäuses gesehen meanderförmig im Zylindergehäuse fließen zu lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zylindergehäuse mehr als vier im Wesentlichen ringsegmentförmige Kühlöffnungen auf, wobei dazwischen mindestens vier symmetrisch zueinander angeordnete Gewindebohrungen zur Befestigung des Zylinderkopfes angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird sowohl eine gleichmäßige Befestigung des Zylinderkopfes an der Stirnseite des Zylindergehäuses sichergestellt, als auch die durch die Kühlöffnungen erzeugte Kühlfläche maximiert.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig.1 eine perspektivische Außenansicht eines einzylindrigen wassergekühlten Kolbenverdichters,
Fig.2 eine perspektivische Außenansicht des Zylindergehäuses vom Kolbenverdichter nach
Fig.l,
Fig.3 eine perspektivische Außenansicht des Zylinderkopfes mit Ventilplatte vom Kolbenverdichter nach Fig.1 , Fig.4 eine perspektivische Schnittansicht der Ventilplatte, und
Fig.5 eine perspektivische Innenansicht des Zylinderkopfes.
Gemäß Fig.1 besteht ein wassergekühlter Kolbenverdichter im Wesentlichen aus einem Zylindergehäuse 1, das auf einem einen Kurbeltrieb enthaltenen Kurbelgehäuse 2 aufgeschraubt ist. An der dem Kurbelgehäuse 2 gegenüberliegenden Seite des Zylindergehäuses 1 ist ein Zylinderkopf 3 angeordnet. Der Zylinderkopf 3 umfasst eine Ventilplatte 4, welche sandwichartig zwischen dem Zylindergehäuse 1 und dem Zylinderkopf 3 platziert ist. Innerhalb des Zylindergehäuses 1 befindet sich ein - hier durch Strichlinien angedeuteter - Kolben 5 zum Komprimieren von Luft.
Nach Fig.2 ist das Zylindergehäuse 1 ein doppelwandig urgeformtes Bauteil, hier bestehend aus einer Aluminiumlegierung. Das Zylindergehäuse 1 weist an der dem - hier nicht weiter dargestellten - Zylinderkopf 3 zugewandten Stirnfläche 6 mehrere Kühlöffnungen 7 auf. Die Kühlöffnungen 7 sind ringsegmentförmig gestaltet. Über die Kühlöffnungen 7 kommt das das doppelwandige Zylindergehäuse 1 durchströmende Kühlmittel in Kontakt mit dem Bereich des Zylinderkopfes 3. Des Weiteren sind an der Stirnfläche 6 des Zylindergehäuses 1 mehrere symmetrisch zueinander angeordnete Gewindebohrungen 8 zur Befestigung des Zylinderkopfes 3 angeordnet. Das Kühlmittel gelangt in den Zwischenbereich des doppelwandigen Zylindergehäuses 1 durch einen als Einlass ausgebildeten Kühlmittelanschluss 9.
Nach Fig.3 weist der hier dargestellte Zylinderkopf 3 mit Ventilplatte 4 mehrere Durchgangsbohrungen 10 auf, welche zur Aufnahme - nicht weiter dargestellter - Schrauben dienen, welche sich in die vorstehend genannten Gewindebohrungen 8 einschrauben lassen. Am Zylinderkopf 3 ist weiterhin ein Lufteinlass 11 vorhanden, durch welchen die aus der Atmosphäre angesaugte, und zuvor gefilterte Luft in den Kolbenverdichter gelangt. Die durch den Kolbenverdichter erzeugte Druckluft verlässt diesen wieder über einen Druckluftauslass 12. Nach Fig.4 wird der Druckluftfluss des Kolbenverdichters über - hier nicht weiter dargestellte - Einlassventile und Auslassventile erzeugt, welche an sich bekannt sind. Die Einlass- und Auslassventile sind in einem Einlass- und Auslassventilbereich 13 der Ventilplatte 4 angeordnet. Um diesen Einlass- und Auslassbereich 13 der Ventilplatte 4 herum erstrecken sich Kühlmittelkanäle 14. Die Kühlmittelkanäle 14 stehen eingangsseitig in Verbindung mit einem Einlass 15 der Ventilplatte 4. Der Einlass 15 der Ventilplatte 4 korrespondiert mit einem der vorstehend beschriebenen Kühlöffhungen 7 des Zylindergehäuses 1. Des Weiteren weist die Ventilplatte 4 auch einen Auslass 16 auf, über welchen das Kühlmittel in den Zylinderkopf 3 weitergleitet wird.
Gemäß Fig.5 gelangt das so weitergeleitete Kühlmittel innerhalb des Zylinderkopfes 3 in ebenfalls hierin ausgebildete Kühlmittelkanäle 17. Die Kühlmittelkanäle 17 des Zylinderkopfes 3 sind insbesondere um den Bereich des Druckluftauslasses 12 angeordnet, um die durch den Verdichtungsvorgang aufgeheizte Druckluft vor Verlassen des Zylinderkopfes 3 abzukühlen. Ferner befindet sich am Zylinderkopf 3 ein weiterer
Kühlmittelanschluss 18, der in diesem Ausführungsbeispiel als Auslass für das Kühlmittel dient.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausfuhrungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So kann der wassergekühlte Kolbenverdichter im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als mehrzylindriger Kolbenverdichter ausgebildet sein. Des Weiteren ist es auch denkbar, den Kühlmitteldurchfiuss allein auf das doppelwandige Zylindergehäuse zu beschränken. In diesem Falle wäre am Zylindergehäuse ein weiterer Kühlmittelanschluss als Auslass für verbrauchtes Kühlmittel anzuordnen.
Ferner sei auch daraufhingewiesen, dass sich die erfindungsgemäße Lösung besonders eignet für ölfrei laufende Kolbenverdichter, da hier ganz besonders das Problem einer ausreichenden Kühlung im Bereich des Zylinders im Vordergrund steht. Be z u es zeichenliste
1 Zylindergehäuse
2 Kurbelgehäuse
3 Zylindergehäuse
4 Ventilplatte
5 Kolben
6 Stirnseite
7 Kühlöffhung
8 Gewindebohrung
9 Kühlmittelanschluss (Einlass)
10 Durchgangsbohrung
11 Lufteinlass
12 Druckluftauslass
13 Einlass- und Auslassventilbereich
14 Kühlmittelkanal
15 Einlass
16 Auslass
17 Kühlmittelkanal
18 Kühlmittelanschluss (Auslass)

Claims

A n s p r ü c h e
1. Wassergekühlter Kolbenverdichter mit mindestens einem Kolben (5) zum Komprimieren von Luft, der mit Mitteln zur Erzeugung einer linear oszillierenden Antriebskraft antreibbar ist, und der axial bewegbar in einem über einen Zylinderkopf (3) stirnseitig verschlossenen Zylindergehäuse (1) untergebracht ist, das mit Mitteln zur Wasserkühlung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Wasserkühlung ein doppelwandig urgeformtes Zylindergehäuse (1) umfassen, an dessen dem Zylinderkopf (3) zugewanden Stirnfläche (6) mehrere Kühlöffhungen (7) angeordnet sind, über welche das doppelwandige Zylindergehäuse (1) durchströmende Kühlmittel in Kontakt mit dem Bereich des Zylinderkopfes (3) kommt.
2. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Zylinderkopfes (3) aus einer an der
Stirnfläche (6) des Zylindergehäuses (1) zur Anlage kommenden Ventilplatte (4) besteht, an welcher der Zylinderkopf (3) angeordnet ist.
3. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (4) mindestens einen mit einem der Kühlöfmungen (7) des Zylindergehäuses (1) korrespondierenden Einlass (15) zum Weiterleiten des Kühlwassers in den Bereich des Zylinderkopfes (3) hinein aufweist.
4. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (4) mit dem Einlass (15) in Verbindung stehende Kühlmittelkanäle (14) zur Kühlung eines Einlass- und Auslassventilbereichs (13) aufweist.
5. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (4) mindestens einen Auslass (16) zum Weiterleiten von Kühlwasser in den Zylinderkopf (3) aufweist.
6. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (3) von Kühlmittelkanälen (17) zur Leitung des Kühlwassers durch den Zylinderkopf (3) durchzogen ist.
7. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (17) auch um den Bereich des Druckluftauslasses (12) angeordnet sind, um die durch den Verdichtungsvorgang aufgeheizte Druckluft vor Verlassen des Zylinderkopfes (3) abzukühlen.
8. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außen am Zylindergehäuse (1) mindestens ein Kühlmittelanschluss (9) als Einlass für das Kühlmittel angeordnet ist, wobei ein weiterer Kühlmittelanschluss (18) als Auslass für das Kühlmittel entweder am Zylinderkopf (3) oder ebenfalls am Zylindergehäuse (1) angeordnet ist.
9. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ausgehend von dem den Einlass bildenden Kühlmittelanschluss (9) das Zylindergehäuse (1) beidseitig umströmt, um eine gleichmäßige Kühlwirkung zu erzielen.
10. Wassergekühlter Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindergehäuse (1) mit mehr als vier im wesentlichen ringsegmentfÖrmigen Kühlöffhungen (7) ausgestattet ist, wobei dazwischen mindestens vier symmetrisch zueinander angeordnete Gewindebohrungen (8) zur Befestigung des Zylinderkopfes (3) angeordnet sind.
EP06829571A 2005-12-13 2006-12-13 Wassergekühlter kolbenverdichter Not-in-force EP1963674B1 (de)

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