EP2664794B1

EP2664794B1 - Kolbenkompressor

Info

Publication number: EP2664794B1
Application number: EP20120168077
Authority: EP
Inventors: Roland Tittel; Volker Simon
Original assignee: JP Sauer and Sohn Machinenbau GmbH
Current assignee: JP Sauer and Sohn Machinenbau GmbH
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: EP2664794A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor mit einem oder mehreren Zylindern und darin angeordneten beweglichen Kolben.
Kolbenkompressoren weisen eine oder mehrere Kolben-Zylindereinheiten auf, deren Kolben in der Regel über eine Kurbelwelle angetrieben werden. Solche Kompressoren weisen meist eine Schmierung mit Öl auf. Bei dieser verteilen die Kolben das Öl in der Laufbuchse, in welcher die Kolben geführt sind. Beim Anfahren derartiger Kompressoren besteht das Problem, dass in der Laufbuchse möglicherweise noch keine ausreichende Ölmenge für eine ausreichende Schmierung vorhanden ist. Um dies zu verhindern, ist eine Druckölzuführung in die Laufbuchse hinein bekannt, welche jedoch recht aufwändig ist.
WO 02/073034 A2 offenbart einen Kolbenkompressor mit einem darin beweglichen Kolben. Innerhalb dieses Kolbens befinden sich Durchleitungen, welche Öl durch das Innere des Kolbens leiten und an gewünschten Stellen aus dem Kolben austreten lassen.
WO 2004/005713 A1 offenbart ebenfalls einen Kompressor mit beweglichem Kolben, in welchem Durchführungen zur Leitung von Öl ausgestaltet sind.
Beide Dokumente haben gemeinsam, dass innerhalb des Kolbens Öl von außen aufgenommen und durch das Innere des Kolbens geleitet und dann an anderer Stelle wieder ausgegeben wird. Eine Anstauung von Öl ist nicht vorgesehen.
Im Hinblick auf diese Problematik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenkompressor dahingehend zu verbessern, dass auf einfache Weise beim Anlaufen des Kompressors eine ausreichende Schmierung zwischen Kolben und Laufbuchse bzw. der Umfangswandung sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenkompressor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch einen Kolben für einen solchen Kolbenkompressor mit den in Anspruch 13 genannten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Der erfindungsgemäße Kolbenkompressor kann ein- oder mehrstufig ausgebildet sein. Bei einer einstufigen Ausgestaltung weist der Kolbenkompressor einen Zylinder mit einem darin beweglichen Kolben auf, bei mehrstufiger Ausgestaltung sind mehrere Zylinder mit entsprechend darin angeordneten Kolben vorgesehen. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Kolben an der Umfangswandung zumindest eine Tasche zur Speicherung einer gewissen Ölmenge auf. Die Tasche ist zur Umfangswandung des Kolbens hin geöffnet. Die Tasche bildet so einen Aufnahmeraum für Öl. Der Aufnahmeraum ist durch Gestaltung der Tasche so gelegen, dass in der Einbaulage des Kolbens, d. h. in der vorgesehenen Lage bei Betrieb des Kompressors, der Aufnahmeraum vertikal unterhalb einer in der Umfangswandung ausgebildeten Öffnung der Tasche gelegen ist. Dadurch wird verhindert, dass das Öl aus der Tasche schwerkraftbedingt alleine wieder herauslaufen kann. Durch eine so ausgebildete Tasche, welche einen Aufnahmeraum für Öl bildet, ist es möglich, dass sich beim Betrieb des Kolbenkompressors in der Tasche eine gewisse Ölmenge ansammelt. Wenn der Kompressor außer Betrieb genommen wird, verbleibt diese Ölmenge in der Tasche. Beim Wiederanfahren, d. h. insbesondere beim kritischen Kaltstart des Kompressors wird diese Schmierölmenge sofort beim Anlaufen an die Gleitflächen zwischen der Umfangswandung des Kolbens und der umgebenden Zylinderwandung bzw. Laufbuchse wieder abgegeben. Das Öl tritt aufgrund seiner Massenträgheit bei Beschleunigung des Kolbens durch die Öffnungen an der Umfangswandung wieder aus. Die Ausgestaltung ermöglicht es somit, eine gewisse Schmierölmenge direkt an der Umfangswandung des Kolbens zu speichern und diese beim Start direkt wieder abzugeben, sodass auch beim Anlaufen des Kompressors ohne aufwändige Druckölzufuhr für eine ausreichende Schmierung gesorgt ist.
Bevorzugt weist der zumindest eine Kolben mehrere derartige Taschen auf, welche in Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung des Kolbens voneinander beabstandet sind. Durch solche mehreren Taschen wird sichergestellt, dass bei beliebiger Einbaulage des Kolbens mindestens ein Ölaufnahmeraum vertikal unterhalb seiner Öffnung gelegen ist und so die Gleitfläche zwischen Kolben und Zylinder bzw. Laufbuchse beim Anlaufen des Kompressors ausreichend mit Schmieröl versorgt wird. Vorzugsweise sind die Taschen dazu gleichmäßig über die Gleitfläche verteilt angeordnet, insbesondere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt an der Umfangswandung angeordnet.
Weiter bevorzugt sind die Öffnungen mehrerer Taschen auf einer Umfangslinie der Umfangswandung, d. h. an derselben Axialposition bezogen auf die Längs- bzw. Bewegungsachse des Kolbens gelegen. So wird eine gleichmäßige Verteilung des Schmieröls über die Umfangsfläche bzw. die Umfangswandung des Umfangskolbens erreicht.
Es wäre möglich, die Taschen so auszugestalten, dass sich ihre Öffnungen über den gesamten Umfang des Kolbens in Form einer Nut erstrecken. Bevorzugt erstrecken sich die Öffnungen jedoch nur über einen begrenzten Umfangsabschnitt. So werden die Gleiteigenschaften der Umfangswandung an der umgebenden Laufbuchse weniger beeinträchtigt. Durch die Anordnung mehrere Taschen, insbesondere gleichmäßig verteilt über den Umfang kann dennoch eine ausreichende Schmierung sichergestellt werden.
Die Taschen erstrecken sich vorzugsweise ausgehend von ihrer Öffnung in der Umfangswandung des Kolbens zur Längsachse des Kolbens geneigt nach innen in den Kolben hinein. So bilden die Taschen den vertikal unterhalb der Öffnung gelegen Aufnahmeraum für das Öl.
Besonders bevorzugt sind die Taschen als Sacklöcher, insbesondere Sackbohrungen ausgebildet. Diese Sacklöcher bzw. Sackbohrungen weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Solche Sackbohrungen lassen sich auf einfache Weise in die Umfangswandung des Kolbens einbringen. Dabei erstrecken sich die Bohrungen bevorzugt in der vorangehend beschrieben Weise schräg zur Längsachse und zum Radius des Kolbens. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Taschen ausgehend von der Umfangswandung in einem Winkel zwischen 15° und 45°, d. h. in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Kolbens. Dabei sind die Taschen so angeordnet, dass sie sich in Einbaulage des Kolbens ausgehend von ihrer Öffnung nach unten erstrecken, sodass der Aufnahmeraum für das Öl, welcher vertikal unterhalb der Öffnung gelegen ist, gebildet wird. So wird verhindert, dass Öl aus dem Aufnahmeraum selbsttätig wieder herausläuft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Umfangswandung des Kolbens, an welchem die Tasche bzw. die Taschen ausgebildet sind, zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut ausgebildet. Diese Nut weist in axialer Richtung vorzugsweise eine Breite auf, welche kleiner ist als die Breite bzw. der Durchmesser der Öffnungen der Taschen. Solch eine Nut dient zur besseren Verteilung des aus der Tasche aufgrund seiner aus einer Massenträgheit austretenden Öls über die Gleitflächen zwischen der Wandung des Kolbens und Zylinderinnenwandung bzw. Laufbuchse verbessern.
Bevorzugt erstreckt sich eine solche Nut ringförmig über den gesamten Umfang. So wird eine ausreichende Verteilung des Öls über den gesamten Umfang der Umfangswandung mit Hilfe der Nut erreicht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können mehrere in Richtung der Längsachse des Kolbens voneinander beabstandete Nuten an der Umfangswandung des Kolbens ausgebildet sein. Auch diese Nuten können sich ringförmig um den gesamten Umfang des Kolbens erstrecken. Die Nuten sind bevorzugt in axialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet, insbesondere im axialen Abschnitt des Kolbens angeordnet, in welchem sich auch die Taschen bzw. deren Öffnungen an der Umfangswandung befinden. Die Öffnungen können dabei zwischen zwei voneinander beabstandeten Nuten gelegen sein. Bevorzugt jedoch schneiden die Nuten die Öffnungen. So wird erreicht, dass, wenn das Öl trägheitsbedingt aus den Öffnungen austritt, es sich in der schneidenden Nut in der Umfangsrichtung um den Kolben verteilen kann und so eine ausreichende Schmierung der gesamten Umfangswandung, d. h. über deren gesamten Umfang sorgen kann.
Besonders bevorzugt ist der Kolben, an welchem zumindest eine Tasche gemäß der vorangehenden Beschreibung oder mehrere Taschen gemäß der vorangehenden Beschreibung ausgebildet sind, ein Hochdruckkolben des Kompressors. Bei einem mehrstufigen Kompressor ist dies der Kolben der letzten Stufe, die den höchsten Druck erzeugt. Bei diesem Kolben ist die ausreichende Schmierung beim Anlaufen des Kompressors in der Regel besonders problematisch.
Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus auch ein Kolben für einen Kolbenkompressor, insbesondere einen Kolbenkompressor gemäß der vorangehenden Beschreibung. Dieser erfindungsgemäße Kolben weist zumindest eine zu einer Umfangswandung des Kolbens geöffnete Tasche auf, welche einen Aufnahmeraum für Öl bildet, der in Einbaulage des Kolbens, d. h. bei bestimmungsgemäßer Aufstellung eines Kompressors mit dem darin angeordneten Kolben vertikal unterhalb einer in der Umfangswandung ausgebildeten Öffnung der Tasche gelegen ist. Ein solcher Kolben sorgt, wie oben beschrieben, beim Anlaufen für ein ausreichende Schmierung ohne eine aufwändige Druckölversorgung der Laufbuchse. Bezüglich weiterer Vorteile der Ausgestaltungen dieses Kolbens wird auf die vorangehende Beschreibung des Kolbenkompressors mit einem solchen Kolben verwiesen. Der Kolben kann so ausgestaltet sein, wie es vorangehend beschrieben wurde.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1: eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Kolbenkompressor,
Fig. 2: eine perspektivische Detailansicht des Hochdruckkolbens des Kolbenkompressors gemäß Fig. 1 und
Fig. 3: eine Schnittansicht des Kolbens gemäß Fig. 2.

In der Schnittansicht gemäß Fig. 1 sind zwei Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 4 zu erkennen, deren Kolben 6, 8 über eine gemeinsame Kurbelwelle 10 von einem elektrischen Antriebsmotor 12 angetrieben werden. Die Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 4 bilden Hochdruckeinheiten, deren Kolben 6, 8 ist in erfindungsgemäßer Weise ausgestaltet sind, um eine verbesserte Schmierung zwischen Kolben 6, 8 und umgebender Laufbuchse 14 beim Anfahren des Kolbenkompressors zu ermöglichen.
Figuren 2 und 3 zeigen den Kolben 8 in einer Detailansicht. Es ist zu verstehen, dass der Kolben 6 entsprechend ausgebildet ist. Der Kolben 8 weist an seinem unteren Ende eine Befestigungsplatte 16 auf, welche zur Verbindung mit einem Führungsteil 18 dient, an welchem ein Pleuel 20 angreift. Der Kolben ist somit als Stufenkolben ausgebildet. An seinem von der Befestigungsplatte beabstandeten Ende weist der Kolben 8 mehrere Kolbenringe 22 auf. An seiner dem Inneren der Laufbuchse 14 zugewandten Umfangswandung 24 ist der Kolben 8 mit Taschen in Form von Sacklöchern bzw. Sackbohrungen 26 versehen. Die Sackbohrungen 26 münden an der Umfangswandung 24 eine Öffnung 28. Ausgehend von der Öffnung 28 erstrecken sich die Sackbohrungen in einem Winkel β zur Längsachse X geneigt nach unten in das Innere des Kolbens 8 hinein. "Unten" bezieht sich dabei auf die bestimmungsgemäße Einbaulage des Kolbens 8 bei bestimmungsgemäßer Aufstellung des Kolbenkompressors, wie in Fig. 1 gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel erstrecken sich Sackbohrungen 26 in einem Winkel β von ungefähr 30° zur Längsachse X. Die Bohrungen 26 sind dabei so lang ausgebildet, dass ein unteres geschlossenes Ende einen Aufnahmeraum 30 für das Öl bildet, welcher vertikal unterhalb der zugehörigen Öffnung 28 gelegen ist. So kann Öl, welches sich im Inneren der Sackbohrungen 26 in dem Aufnahmeraum 30 befindet, nicht schwerkraftbedingt aus den Sackbohrungen 26 herauslaufen.
Die Sackbohrungen 26 sind in diesem Beispiel in zwei voneinander beabstandeten ringförmigen Anordnungen zugeordnet, wobei in jeder Anordnung jeweils vier Sackbohrungen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die axial beabstandeten Sackbohrungen 26 liegen jeweils auf einer gemeinsamen Linie parallel zur Längsachse x.
In der Umfangswandung 24 sind darüber hinaus mehrere, in diesem Fall fünf ringförmige Nuten 32 ausgebildet. Die Nuten erstrecken sich über den Außenumfang der Umfangswandung konzentrisch zur Längsachse X. Zwei der Nuten 32 schneiden jeweils vier in einer Umfangslinie gelegene Öffnungen 28 von vier Sackbohrungen 26. Die Nuten 32 dienen dazu, das aus den Sackbohrung 26 austretende Öl über die gesamte Umfangswandung 24, d. h. die Gleitfläche zwischen Umfangswandung 24 und Laufbuchse 14 zu verteilen. Aus den Sackbohrungen 26 bzw. den von diesen gebildeten Aufnahmeräumen 30 tritt das Öl bei Bewegung des Kolbens 8 aufgrund seiner Massenträgheit aus. Dabei verteilt es sich dann in den Nuten 32, welche die Öffnungen 28 schneiden, in Umfangsrichtung, sodass der gesamte Umfang der Umfangsfläche 24 von diesem Öl geschmiert wird.

Bezugszeichenliste

2, 4: Kolben-Zylinder-Einheiten
6, 8: Kolben
10: Kurbelwelle
12: Antriebsmotor
14: Laufbuchse
16: Befestigungsplatte
18: Führungsteil
20: Pleuel
22: Kolbenringe
24: Umfangswandung
26: Sackbohrungen
28: Öffnung
30: Aufnahmeraum
32: Nuten

X: Kolbenlängsachse
B: Neigungswinkel der Sackbohrungen 26

Claims

Kolbenkompressor mit einem oder mehreren Zylindern (2, 4) und darin beweglichen Kolben (6, 8), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kolben (8) zumindest eine zu einer Umfangswandung (24) des Kolbens (8) geöffnete Tasche (26) aufweist, welche einen Aufnahmeraum (30) für Öl bildet, der in Einbaulage des Kolbens (8) vertikal unterhalb einer in der Umfangswandung (24) ausgebildeten Öffnung (28) der Tasche (26) gelegen ist.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kolben (8) mehrere derartige Taschen (26) aufweist, welche in Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung (X) des Kolbens (8) voneinander beabstandet sind.
Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (28) mehrerer Taschen (26) auf einer Umfangslinie der Umfangswandung (24) gelegen sind.
Kolbenkompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungen (28) der Taschen (26) nur über einen begrenzten Umfangsabschnitt erstrecken.
Kolbenkompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Taschen (26) ausgehend von ihrer Öffnung (28) in der Umfangswandung (24) des Kolbens (8) zur Längsachse (X) des Kolbens (8) geneigt nach innen in den Kolben (8) hinein erstrecken.
Kolbenkompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen als Sacklöcher (26) ausgebildet sind.
Kolbenkompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Taschen (26) in ausgehend von der Umfangswandung (24) in einem Winkel (β) zwischen 15° und 45° zur Längsachse (X) des Kolbens (8) erstrecken.
Kolbenkompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Umfangswandung (24) des Kolbens (8) zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (32) ausgebildet ist.
Kolbenkompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (32) sich ringförmig um den gesamten Umfang erstreckt.
Kolbenkompressor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Richtung der Längsachse (X) des Kolbens (8) voneinander beabstandete Nuten (32) an der Umfangswandung (24) des Kolbens (8) ausgebildet sind.
Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (32) die Öffnungen (28) der Taschen (26) schneiden.
Kolbenkompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8), an welchem die zumindest eine Tasche (26) ausgebildet ist, ein Hochdruckkolben ist.
Kolben ausgestaltet zur Verwendung in einem Kolbenkompressor, gekennzeichnet durch zumindest eine zu einer Umfangswandung (24) des Kolbens (8) geöffnete Tasche (26), welche einen Aufnahmeraum (30) für Öl bildet, der in Einbaulage des Kolbens (8) vertikal unterhalb einer in der Umfangswandung (24) ausgebildeten Öffnung (28) der Tasche (26) gelegen ist.