EP3601800B1 - Mehrstufiger verdichter - Google Patents

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EP3601800B1
EP3601800B1 EP18713603.1A EP18713603A EP3601800B1 EP 3601800 B1 EP3601800 B1 EP 3601800B1 EP 18713603 A EP18713603 A EP 18713603A EP 3601800 B1 EP3601800 B1 EP 3601800B1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure stage
compressor
valve device
low
stage
Prior art date
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Active
Application number
EP18713603.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3601800A1 (de
Inventor
Günther MAYER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3601800A1 publication Critical patent/EP3601800A1/de
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Publication of EP3601800B1 publication Critical patent/EP3601800B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F04B25/005—Multi-stage pumps with two cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/12—Casings; Cylinders; Cylinder heads; Fluid connections
    • F04B39/123—Fluid connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/007—Installations or systems with two or more pumps or pump cylinders, wherein the flow-path through the stages can be changed, e.g. from series to parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves

Definitions

  • the present invention relates to a multi-stage compressor.
  • the invention also relates to a compressor with such a multistage compressor and an operating method for such a multistage compressor.
  • Multi-stage compressors or multi-stage compressors are well known and usually have at least one low-pressure stage and one high-pressure stage, the high-pressure stage being exposed to increased wear and thus often representing a weak point of such a multi-stage compressor.
  • Multi-stage compressors can, for example, have a plurality of piston-cylinder units, of which, for example, one piston-cylinder unit forms a high-pressure stage and a piston-cylinder unit forms a low-pressure stage.
  • the gas to be compressed for example air
  • the high-pressure stage the gas to be compressed, for example air
  • the charge air cooler in between.
  • a piston compressor in particular for supplying air to air suspension systems in motor vehicles, is known, which is designed as a multi-piston compressor with n> 2 cylinders in a star arrangement.
  • the present invention is therefore concerned with the problem of specifying a multistage compressor which overcomes the disadvantages known from the prior art.
  • the present invention is based on the general idea of specifying a multi-stage compressor with at least one high pressure stage and with at least one low pressure stage, which is switched during operation in such a way that not only a single piston-cylinder unit constantly forms the high pressure stage, but the high pressure stage across all Piston-cylinder units migrate, which means that even wear and thus a longer service life can be achieved.
  • a so-called "clocking" valve device is used which, depending on the switching position, relays the high pressure stage to a position for each cycle, that is to say assigns it to a subsequent piston-cylinder unit.
  • the multi-stage compressor according to the invention has at least two pistons driven via a common crankshaft mounted in a crankcase, which are guided in associated cylinders of a respective piston-cylinder unit and which form the at least one high pressure stage or the at least one low pressure stage.
  • a total of three or more piston-cylinder units can also be provided, one of which forms a high-pressure stage and the other two or more each form the upstream low-pressure stages.
  • a line arrangement communicating with the individual cylinders is provided for supplying and removing air to and from the individual cylinders.
  • the switchable valve device is arranged in this line arrangement, which valve device is designed in such a way that the high pressure stage depending on the switching position is assigned to different cylinders, wherein the at least one high pressure stage according to the invention moves one cylinder or a piston-cylinder unit on with each cylinder work cycle.
  • the valve device can be designed mechanically, electrically, pneumatically or in some other way.
  • the embodiment of the multi-stage compressor according to the invention makes it possible to use piston-cylinder units with the same dimensions, whereas in contrast to multi-stage compressors known from the prior art, for example, a high-pressure stage is executed with a smaller volume.
  • standard parts can be used, as a result of which the variety of parts and thus also the storage and logistics costs as well as the assembly costs can be reduced.
  • Another advantage of the multistage compressor according to the invention is that the high-pressure stage can still provide highly compressed air, even if a piston-cylinder unit fails.
  • a pre-compression cooler is provided which is connected downstream of the at least one low-pressure stage and upstream of the at least one high-pressure stage.
  • the thermal energy that is supplied to the air during compression can be withdrawn again via such a pre-compression cooler, whereby further compression is more easily possible.
  • a high-compression cooler can also be connected downstream of the high-pressure stage, for example before the now highly compressed charge air is introduced into a pressure accumulator, as a result of which the storage capacity can be increased.
  • a high-pressure stage and three low-pressure stages are provided, as well as four pistons driven by a common crankshaft mounted in a crankcase, which are guided in associated cylinders in associated piston-cylinder assemblies and the one high-pressure stage and three Form low pressure stages.
  • Such a compressor can be driven, for example, by an electric motor.
  • alternative embodiments of the multistage compressor according to the invention can also be considered for this, for example with a total of five, six or more compressor stages, two of which function as high-pressure stages and the rest as low-pressure stages. Due to the fact that in the multistage compressor according to the invention all compressor stages, that is to say all piston-cylinder units, have the same dimensions, almost any scaling is possible. If, for example, a higher volume flow is required, the number or the volume of the compressor units can simply be increased.
  • the present invention is further based on the general idea of equipping a compressor, in particular an oil-free compressor, with an interconnection described in the previous paragraphs, whereby an intrinsically long-lived one and reliable functioning can be achieved, since the multistage compressor according to the invention not only wears less and is therefore more durable, but also theoretically can easily compensate for the failure of at least one pressure stage with appropriate detection devices and sensors and control devices.
  • the present invention is further based on the general idea of specifying an operating method of the multi-stage compressor described above, in which a switchable valve device is switched such that the high pressure stage is assigned to different cylinders depending on the switching position of the valve device, in particular that the at least one high pressure stage is assigned to each work cycle , that is, when an associated piston moves up and down in an associated piston-cylinder unit, one cylinder moves further.
  • a switchable valve device is switched such that the high pressure stage is assigned to different cylinders depending on the switching position of the valve device, in particular that the at least one high pressure stage is assigned to each work cycle , that is, when an associated piston moves up and down in an associated piston-cylinder unit, one cylinder moves further.
  • it is conceivable not to change the high pressure stage every working cycle but e.g. only every tenth working cycle. That is, over a time interval t, all piston-cylinder assemblies would still be loaded in the same way and therefore also worn.
  • a multistage compressor 1 according to the invention has at least one high pressure stage 2 and at least one low pressure stage 3.
  • the multi-stage compressor 1 according to the invention has a total of four pressure stages, one of which is a high pressure stage 2 and three as a Low pressure stages 3 are formed.
  • Each pressure stage 2, 3 has its own piston-cylinder unit 4 with a cylinder 5 and a piston 6 mounted in it so as to be translationally adjustable, the pistons 6 via a common and in a crankcase 7 (cf. Fig. 1 ) mounted crankshaft 8 are driven.
  • a line arrangement 9 communicating with the individual cylinders 5 for supplying and removing air to and from the cylinders 5. In the line arrangement 9 (cf.
  • a switchable valve device 10 is arranged, which is designed in such a way that the high-pressure stage 2 is or is assigned to different cylinders 5 depending on the switching position of a valve body 11 of the valve device 10, in particular that the at least one high-pressure stage 2 for each working cycle of a piston 6 a cylinder 5 moves on.
  • valve device 10 is shown in a suction position in which the low-pressure stages 3 suck in air from the crankcase 7 via the valve body 11 of the valve device 10.
  • the suction can optionally also take place directly from the ambient air or an intermediate filter.
  • air that has already been pre-compressed in a previous work cycle and cooled via the pre-compression cooler 12 is sucked in and fed via the valve body 11 to the valve device 10 of the high-pressure stage 2, i.e. the piston-cylinder unit 4 shown above on the left.
  • valve device 10 By turning the valve body 11 clockwise or in the opposite direction, the valve device 10 according to the invention and the associated line arrangement 9 move the respective high pressure stage 2 over the individual piston-cylinder units 4, whereby the wear phenomena that increasingly occur in the high pressure stage 2 evenly occur all piston-cylinder units 4 can be distributed and as a result of which the life expectancy of the multistage compressor 1 according to the invention increases significantly.
  • the compressor 1 shown is provided with a total of three low-pressure stages 3 and only a single high-pressure stage 2, it being understood that further low-pressure stages 3 or high-pressure stages 2 can also be provided.
  • the multistage compressor 1 is operated, in which the switchable valve device 10 is switched in such a way that the high pressure stage 2 is assigned to different cylinders 5, i.e. different piston-cylinder units 4, depending on the switching position, so that the at least one high pressure stage 2 at Each work cycle of the piston 6 or with each switching cycle of the valve device 10 a cylinder 5 or a piston-cylinder unit 4 moves on.
  • the switchable valve device 10 is switched in such a way that the high pressure stage 2 is assigned to different cylinders 5, i.e. different piston-cylinder units 4, depending on the switching position, so that the at least one high pressure stage 2 at Each work cycle of the piston 6 or with each switching cycle of the valve device 10 a cylinder 5 or a piston-cylinder unit 4 moves on.
  • the multistage compressor 1 according to the invention also has the great advantage that, for example, if a single low-pressure stage 3 fails, this can be switched off by detection, for example by means of a corresponding control device, so that the multistage compressor 1 according to the invention can also be used if one or more low-pressure stages 3 fail or high-pressure stage 2 continues to function, since high-pressure stage 2 is not only linked to a single piston-cylinder unit 4 or at least to a fixed piston-cylinder unit.
  • the valve device 10 has according to FIG Fig. 4 a rotatable cylindrical valve body 11 with an upper part 17 and a lower part 18 and can be pneumatically, electrically or hydraulically switchable.
  • different inlets 15 or outlets 16 are arranged in the valve body 11 on its lateral surface, which can also change their inlet function or outlet function depending on the switching position.
  • the inputs 15 and the outputs 16 can also be interchanged.
  • FIG. 5 an upper part 17 of the valve body 11 is shown in a suction position in which the low-pressure stages 3 suck in air from the crankcase 7 or from the environment, in particular via a filter device. Air is sucked in via three inlets 15a. The sucked-in air is fed via the outputs 16a assigned to the inputs 15a to the piston-cylinder assemblies 4 designed as low-pressure stages 3 and, after the compression cycle, to the pre-compression cooler 12.
  • pre-compression cooler 12 refers to the cooling after the low-pressure compression and before the high-pressure compression.
  • valve device 10 By turning the valve body 11 clockwise or in the opposite direction, the valve device 10 according to the invention and the associated line arrangement 9 move the respective high pressure stage 2 over the individual piston-cylinder units 4, whereby the wear phenomena that increasingly occur in the high pressure stage 2 evenly occur all piston-cylinder units 4 can be distributed and as a result of which the life expectancy of the multistage compressor 1 according to the invention increases significantly.
  • the two parts 17, 18 can be rotated relative to one another or together.
  • the intake stroke is controlled via the lower part 17.
  • the exhaust stroke via the upper part 18, or vice versa.
  • Both parts 17, 18 move simultaneously clockwise or counter-clockwise in order to enable precise timing with a robust construction at the same time.
  • crankshaft 8 and thus the multistage compressor 1 can be driven, for example, by an electric motor (not shown).

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kompressor mit einem solchen mehrstufigen Verdichter sowie ein Betriebsverfahren eines solchen mehrstufigen Verdichters.
  • Mehrstufige Verdichter bzw. mehrstufige Kompressoren sind hinlänglich bekannt und besitzen üblicherweise zumindest eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe, wobei die Hochdruckstufe einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt ist und dadurch oftmals einen Schwachpunkt eines derartigen mehrstufigen Verdichters darstellt.
  • Mehrstufige Verdichter können beispielsweise mehrere Kolben-Zylinder-Aggregate aufweisen, wovon beispielsweise ein Kolben-Zylinder-Aggregat eine Hochdruckstufe und ein Kolben-Zylinder-Aggregat eine Niederdruckstufe bildet. In der Niederdruckstufe wird dabei das zu verdichtende Gas, beispielsweise Luft, auf eine erste Druckstufe (vor-)verdichtet und anschließend dem zumindest einen zweiten Kolben-Zylinder-Aggregat, demzufolge der Hochdruckstufe, zugeführt. Dazwischen kann selbstverständlich noch ein Ladeluftkühler liegen.
  • Aus der DE 10 2014 213 391 A1 ist ein Kolbenkompressor, insbesondere für die Luftversorgung von Luftfedersystemen in Kraftfahrzeugen, bekannt, der als Mehrkolben-Kompressor mit n > 2 Zylinder in Sternanordnung ausgebildet ist.
  • Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Verdichtern ist jedoch, dass sich insbesondere die Kolbenringe in der Hochdruckstufe aufgrund der höheren Belastung schneller abnutzen, so dass ein Ausfall des mehrstufigen Verdichters bei selbst noch ordnungsgemäß arbeitenden Niederdruckstufen allein aufgrund einer verschlissenen Hochdruckstufe auftreten kann.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen mehrstufigen Verdichter anzugeben, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen mehrstufigen Verdichter mit zumindest einer Hochdruckstufe und mit zumindest einer Niederdruckstufe anzugeben, welcher im Betrieb derart geschaltet wird, dass nicht nur ein einziges Kolben-Zylinder-Aggregat ständig die Hochdruckstufe bildet, sondern die Hochdruckstufe über sämtliche Kolben-Zylinder-Aggregate wandert, wodurch eine gleichmäßige Abnutzung und damit eine längere Lebensdauer erzielt werden können. Hierzu wird eine sogenannte "taktende" Ventileinrichtung eingesetzt, welche je nach Schaltstellung die Hochdruckstufe bei jedem Takt eine Position weitergibt, das heißt einem jeweils nachfolgenden Kolben-Zylinder-Aggregat zuweist. Der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter besitzt dabei zumindest zwei über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle angetriebene Kolben, die in zugehörigen Zylindern eines jeweiligen Kolben-Zylinder-Aggregats geführt sind und die die zumindest eine Hochdruckstufe bzw. die zumindest eine Niederdruckstufe bilden. Selbstverständlich können dabei auch insgesamt drei oder mehr Kolben-Zylinder-Aggregate vorgesehen sein, wovon eines jeweils eine Hochdruckstufe und die zwei bzw. mehreren anderen jeweils die vorgeschalteten Niederdruckstufen bilden. Darüber hinaus vorgesehen ist eine mit den einzelnen Zylindern kommunizierende Leitungsanordnung zum Zuführen und Abführen von Luft zu und aus den einzelnen Zylindern. In dieser Leitungsanordnung ist nun erfindungsgemäß die schaltbare Ventileinrichtung angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass die Hochdruckstufe je nach Schaltstellung unterschiedlichen Zylindern zugeordnet ist, wobei die zumindest eine Hochdruckstufe erfindungsgemäß bei jedem Zylinder-Arbeitstakt einen Zylinder bzw. ein Kolben-Zylinder-Aggregat weiter wandert.
  • Hierbei ist es auch denkbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate in gleicher Weise belastet und daher auch abgenutzt werden. Ebenso ist ein Wechseln der Hochdruckstufe bei jedem neuerlichen Anlaufen/Starten des Kompressors denkbar.
  • Die Ventileinrichtung kann dabei mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder auch auf andere Weise ausgeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform des mehrstufigen Verdichters ist es möglich, Kolben-Zylinder-Aggregate mit gleichen Abmessungen zu verwenden, wohin entgegen beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Verdichter eine Hochdruckstufe jeweils mit kleinerem Volumen ausgeführt wird. Durch die bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter nunmehr erstmals gleichen Abmessungen können Standardteile verwendet werden, wodurch sich die Teilevielfalt und damit auch die Lager- und Logistikkosten sowie die Montagekosten reduzieren lassen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters liegt darin, dass durch die wandernde Hochdruckstufe immer noch die zur Verfügungstellung von hoch verdichteter Luft möglich ist, selbst wenn ein Kolben-Zylinder-Aggregat ausfällt. Dies kann beispielsweise über entsprechende Sensoren detektiert werden, woraufhin eine Steuerung des mehrstufigen Verdichters das beschädigte oder nicht mehr korrekt arbeitende Kolben-Zylinder-Aggregat nicht mehr ansteuert und überspringt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Verdichtern führt ein Ausfall z.B. der Hochdruckstufe immer zum Ausfall des kompletten Verdichters.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein der zumindest eine Niederdruckstufe nachgeschalteter und der zumindest einen Hochdruckstufe vorgeschalteter Vorverdichtungskühler vorgesehen. Über einen derartigen Vorverdichtungskühler lässt sich die thermische Energie, die der Luft beim Verdichten zugeführt wird, wieder entziehen, wodurch eine weitere Verdichtung leichter möglich ist. Selbstverständlich kann auch ein Hochverdichtungskühler der Hochdruckstufe nachgeschaltet sein, beispielsweise vor dem Einleiten der nun hochverdichteten Ladeluft in einen Druckspeicher, wodurch die Speicherkapazität gesteigert werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind eine Hochdruckstufe und drei Niederdruckstufen vorgesehen, ebenso vier über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle angetriebene Kolben, die in zugehörigen Zylindern in jeweils zugehörigen Kolben-Zylinder-Aggregaten geführt sind und die eine Hochdruckstufe und drei Niederdruckstufen bilden. Angetrieben werden kann ein derartiger Verdichter beispielsweise von einem Elektromotor. Selbstverständlich können auch hierzu alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters angedacht werden, mit beispielsweise insgesamt fünf, sechs oder mehr Verdichterstufen, wovon z.B. zwei als Hochdruckstufen und die restlichen als Niederdruckstufen fungieren. Durch den Umstand, dass bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter alle Verdichterstufen, das heißt alle Kolben-Zylinder-Aggregat, dieselben Dimensionen aufweisen, ist eine nahezu beliebige Skalierung möglich. Wird beispielsweise ein höherer Volumenstrom benötigt, können die Anzahl oder das Volumen der Verdichtereinheiten einfach erhöht werden.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kompressor, insbesondere einen ölfreien Kompressor, mit einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verschaltung auszustatten, wodurch eine an sich langlebige und zuverlässig arbeitende Funktionsweise erreicht werden kann, da der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter nicht nur weniger stark verschleißt und damit langlebiger ist, sondern rein theoretisch bei entsprechenden Detektionseinrichtungen und Sensoren sowie Steuerungseinrichtungen auch den Ausfall von zumindest einer Druckstufe problemlos kompensieren kann.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Betriebsverfahren des zuvor beschriebenen mehrstufigen Verdichters anzugeben, bei dem eine schaltbare Ventileinrichtung derart geschaltet wird, dass die Hochdruckstufe je nach Schaltstellung der Ventileinrichtung unterschiedlichen Zylinder zugeordnet wird, insbesondere dass die zumindest eine Hochdruckstufe bei jedem Arbeitstakt, das heißt bei einer Auf- und Abbewegung eines zugehörigen Kolbens in einem zugehörigen Kolben-Zylinder-Aggregat, einen Zylinder weiter wandert. Auch hierbei ist es denkbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate in gleicher Weise belastet und daher auch abgenutzt werden. Durch das kontinuierliche Wandern der zumindest einen Hochdruckstufe können die bislang in lediglich einem einzigen die Hochdruckstufe bildenden Kolben-Zylinder-Aggregat auftretenden Verschleißerscheinungen nun gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder-Aggregate verteilt werden, wodurch diese weniger stark verschleißen und dadurch insgesamt für den Kompressor eine höhere Lebenserwartung erreicht wird.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter ohne nähere Darstellung einer erfindungsgemäßen zugehörigen Ventileinrichtung,
    Fig. 2
    eine zugehörige Ventileinrichtung in einer ersten Schaltstellung,
    Fig. 3
    eine Darstellung wie in Fig. 2, bei einer Ventileinrichtung in einer zweiten Schaltstellung,
    Fig. 4
    eine mögliche Ausführungsform eines Ventilkörpers der Ventileinrichtung,
    Fig. 5
    ein oberes Teil des Ventilkörpers im Ansaugtakt,
    Fig. 6
    ein unteres Teil des Ventilkörpers im Ausstoßtakt.
  • Entsprechend den Fig. 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer mehrstufiger Verdichter 1 zumindest eine Hochdruckstufe 2 und zumindest eine Niederdruckstufe 3 auf. Gemäß der Fig. 2 weist der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter 1 insgesamt vier Druckstufen auf, wovon eine als Hochdruckstufe 2 und drei als Niederdruckstufen 3 ausgebildet sind. Jede Druckstufe 2, 3 besitzt dabei ein eigenes Kolben-Zylinder-Aggregat 4 mit einem Zylinder 5 und einem darin translatorisch verstellbar gelagerten Kolben 6, wobei die Kolben 6 über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse 7 (vgl. Fig. 1) gelagerte Kurbelwelle 8 angetrieben sind. Ebenfalls vorgesehen ist eine mit den einzelnen Zylindern 5 kommunizierende Leitungsanordnung 9 zum Zuführen und Abführen von Luft zu und aus den Zylindern 5. In der Leitungsanordnung 9 (vgl. insbesondere die Fig. 2 und 3) ist dabei erfindungsgemäß eine schaltbare Ventileinrichtung 10 angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass die Hochdruckstufe 2 je nach Schaltstellung eines Ventilkörpers 11 der Ventileinrichtung 10 unterschiedlichen Zylindern 5 zugeordnet ist bzw. wird, insbesondere dass die zumindest eine Hochdruckstufe 2 bei jedem Arbeitstakt eines Kolbens 6 einen Zylinder 5 weiter wandert. Alternativ ist auch vorstellbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe 2 zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 in gleicher Weise belastet und daher auch abgenutzt werden.
  • Gemäß der Fig. 2 ist dabei die Ventileinrichtung 10 in einer Ansaugstellung gezeigt, bei welcher die Niederdruckstufen 3 über den Ventilkörper 11 der Ventileinrichtung 10 Luft aus dem Kurbelgehäuse 7 ansaugen. Die Ansaugung kann wahlweise auch direkt aus der Umgebungsluft bzw. einem dazwischengeschalteten Filter erfolgen. Gleichfalls wird bereits in einem vorhergehenden Arbeitstakt vorverdichtete und über den Vorverdichtungskühler 12 gekühlte Luft angesaugt und über den Ventilkörper 11 der Ventileinrichtung 10 der Hochdruckstufe 2, das heißt also dem links oben abgebildeten Kolben-Zylinder-Aggregat 4 zugeführt. In einem nächsten Arbeitstakt, bei einem sich somit anschließenden Verdrehen des Ventilkörpers 11 der Ventileinrichtung 10 im Uhrzeigersinn, würde die Hochdruckstufe 2 von links oben nach rechts oben wandern und in gleicher Weise die Niederdruckstufen 3 um jeweils ein Kolben-Zylinder-Aggregat 4 im oder gegen den Uhrzeigersinn verdreht werden. Selbstverständlich sind auch andere Bewegungen des Ventilkörpers 11 denkbar, beispielsweise translatorische.
  • Betrachtet man die Fig. 3, so kann man dort einen Ausstoßtakt erkennen, bei welchem die nun vorverdichtete Luft aus den drei Niederdruckstufen 3 über den Ventilkörper 11 der Ventileinrichtung 10 dem ersten Vorverdichtungskühler 12 zugeleitet wird. Gleichfalls wird in der Hochdruckstufe 2 hochverdichtete Ladeluft über den Ventilkörper 11 der Ventileinrichtung 10 beispielsweise einem zweiten Hochverdichtungskühler 13 und/oder schließlich einem Druckspeicher 14 zugeführt. Durch ein Verdrehen des Ventilkörpers 11 im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt dazu wird mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 10 und der zugehörigen Leitungsanordnung 9 ein Wandern der jeweiligen Hochdruckstufe 2 über die einzelnen Kolben-Zylinder-Aggregate 4 erreicht, wodurch die bei der Hochdruckstufe 2 vermehrt auftretenden Verschleißerscheinungen gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 verteilt werden können und wodurch die Lebenserwartung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters 1 deutlich steigt.
  • Gemäß der Fig. 2 sind dabei der Übersichtlichkeit halber lediglich die Einlassleitungen der Leitungsanordnung 9 in die jeweiligen Kolben-Zylinder-Aggregate 4 dargestellt, während gemäß der Fig. 3 lediglich die Auslassleitungen dargestellt sind. Selbstverständlich besitzt jedoch die Leitungsanordnung 9 immer jeweils eine Einlass- und Auslassleitung zum bzw. aus dem jeweiligen Kolben-Zylinder-Aggregat 4.
  • In dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Verdichter 1 sind dabei insgesamt jeweils drei Niederdruckstufen 3 und jeweils lediglich eine einzige Hochdruckstufe 2 vorgesehen, wobei selbstverständlich auch noch weitere Niederdruckstufen 3 bzw. Hochdruckstufen 2 vorgesehen werden können.
  • Betrieben wird der erfindungsgemäßen mehrstufige Verdichter 1, in dem die schaltbaren Ventileinrichtung 10 derart geschaltet wird, dass die Hochdruckstufe 2 je nach Schaltstellung unterschiedlichen Zylindern 5, das heißt unterschiedlichen Kolben-Zylinder-Aggregaten 4, zugeordnet wird, so dass die zumindest eine Hochdruckstufe 2 bei jedem Arbeitstakt des Kolbens 6 bzw. bei jedem Schalttakt der Ventileinrichtung 10 einen Zylinder 5 bzw. einen Kolben-Zylinder-Aggregat 4 weiter wandert. Alternativ ist auch vorstellbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe 2 zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 in gleicher Weise belastet und die durch die Hochdruckstufe 2 bedingten erhöhten Verschleißerscheinungen gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 umgelegt werden können. Der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter 1 besitzt darüber hinaus den großen Vorteil, dass beispielsweise durch den Ausfall einer einzigen Niederdruckstufe 3 diese durch Erkennen, beispielsweise mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung ausgeschaltet werden kann, so dass der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter 1 auch beim Ausfall einer einzigen oder mehrerer Niederdruckstufen 3 bzw. Hochdruckstufen 2 weiter funktioniert, da die Hochdruckstufe 2 nicht nur an ein einziges bzw. zumindest an jeweils festgelegte Kolben-Zylinder-Aggregate 4 gebunden ist.
  • Die Ventileinrichtung 10 weist gemäß der Fig. 4 einen drehbaren zylinderförmigen Ventilkörper 11 mit einem Oberteil 17 und einem Unterteil 18 auf und kann pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch schaltbar sein. Dabei sind in dem Ventilkörper 11 an dessen Mantelfläche unterschiedliche Eingänge 15 bzw. Ausgänge 16 angeordnet, die je nach Schaltstellung ihre Einlassfunktion bzw. Auslassfunktion auch wechseln können. Selbstverständlich können die Eingänge 15 und die Ausgänge 16 auch vertauscht angeordnet sein.
  • Gemäß der Fig. 5 ist dabei ein oberer Teil 17 des Ventilkörpers 11 in einer Ansaugstellung gezeigt, bei welcher die Niederdruckstufen 3 Luft aus dem Kurbelgehäuse 7 oder aus der Umgebung, insbesondere über eine Filtereinrichtung, ansaugen. Dabei erfolgt ein Ansaugen von Luft über drei Eingänge 15a. Die angesaugte Luft wird dabei über die den Eingängen 15a zugeordneten Ausgänge 16a den als Niederdruckstufen 3 ausgeführten Kolben-Zylinder-Aggregaten 4 und nach dem Verdichtungstakt dem Vorverdichtungskühler 12 zugeführt. Der Begriff "Vorverdichtungskühler 12" ist dabei auf die Kühlung nach der Niederdruckverdichtung und vor der Hochdruckverdichtung bezogen. Gleichfalls wird bereits in einem vorhergehenden Arbeitstakt vorverdichtete und über den Vorverdichtungskühler 12 gekühlte Luft über den Eingang 15b angesaugt und über den Ventilkörper 11 der Ventileinrichtung 10 und den dem Eingang 15b zugeordneten Ausgang 16b der Hochdruckstufe 2, das heißt also dem links oben abgebildeten Kolben-Zylinder-Aggregat 4 zugeführt.
  • Betrachtet man die Fig. 6, so kann man dort einen unteren Teil 18 des Ventilkörpers 11 bei einem Ausstoßtakt erkennen, der gleichzeitig mit dem Ansaugtakt des oberen Teils 17 abläuft und bei welchem die nun vorverdichtete Luft aus den drei Niederdruckstufen 3 über die Eingänge 15a und die zugeordneten Ausgänge 16a des Ventilkörpers 11 der Ventileinrichtung 10 dem ersten Vorverdichtungskühler 12 zugeleitet wird. Gleichfalls wird in der Hochdruckstufe 2 hochverdichtete Ladeluft über den Eingang 15b des Ventilkörpers 11 der Ventileinrichtung 10 und dem zugeordneten Ausgang 16b beispielsweise einem zweiten Hochverdichtungskühler 13 und/oder schließlich einem Druckspeicher 14 zugeführt. Durch ein Verdrehen des Ventilkörpers 11 im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt dazu wird mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 10 und der zugehörigen Leitungsanordnung 9 ein Wandern der jeweiligen Hochdruckstufe 2 über die einzelnen Kolben-Zylinder-Aggregate 4 erreicht, wodurch die bei der Hochdruckstufe 2 vermehrt auftretenden Verschleißerscheinungen gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 verteilt werden können und wodurch die Lebenserwartung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters 1 deutlich steigt.
  • Die beiden Teile 17, 18 sind relativ zueinander oder gemeinsam verdrehbar. Der Ansaugtakt wird über den unteren Teil 17 gesteuert. Der Ausstoßtakt über den oberen Teil 18, oder umgekehrt. Beide Teile 17, 18 bewegen sich gleichzeitig im oder gegen den Uhrzeigersinn, um eine präzise Taktung bei gleichzeitig robuster Bauweise zu ermöglichen. Es gibt aber keine Verbindung der Kanäle bzw. Fräßungen zwischen dem Oberteil 17 und dem Unterteil 18.
  • Angetrieben werden kann die Kurbelwelle 8 und damit der mehrstufige Verdichter 1 beispielsweise über einen nicht gezeigten Elektromotor.

Claims (8)

  1. Mehrstufiger Verdichter (1),
    - mit zumindest einer Hochdruckstufe (2) und zumindest einer Niederdruckstufe (3),
    - mit zumindest zwei über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse (7) gelagerte Kurbelwelle (8) angetriebenen Kolben (6), die in zugehörigen Zylindern (5) geführt sind, und die die zumindest eine Hochdruckstufe (2) und die zumindest eine Niederdruckstufe (3) bilden,
    - mit einer mit den einzelnen Zylindern (5) kommunizierenden Leitungsanordnung (9) zum Zuführen und Abführen von Luft zu und aus den Zylindern (5),
    - wobei in der Leitungsanordnung (9) eine schaltbare Ventileinrichtung (10) angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass die zumindest eine Hochdruckstufe (2) je nach Schaltstellung der Ventileinrichtung (10) jeweils unterschiedlichen Zylindern (5) zugeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zumindest eine Hochdruckstufe (2) bei jedem Zylinder-Arbeitstakt bzw. jeder Schaltstellung einen Zylinder (5) weiter wandert.
  2. Verdichter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während eines Zeitintervalls t jedes der Kolben-Zylinder-Aggregate (4) für eine gleiche Anzahl an Zylinder-Arbeitstakten als Hochdruckstufe (2) bzw. als Niederdruckstufe (3) ausgebildet ist.
  3. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein der zumindest einen Niederdruckstufe (3) nachgeschalteter und der zumindest einen Hochdruckstufe (2) vorgeschalteter Vorverdichtungskühler (12) vorgesehen ist.
  4. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ventileinrichtung (10) einen drehbaren zylinderförmigen Ventilkörper (11) aufweist.
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ventileinrichtung (10) pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch schaltbar ist.
  6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine Hochdruckstufe (2) und drei Niederdruckstufen (3) vorgesehen sind,
    - vier über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse (7) gelagerte Kurbelwelle (8) angetriebene Kolben (6), die in zugehörigen Zylindern (5) geführt sind, und die die eine Hochdruckstufe (2) und die drei Niederdruckstufen (3) bilden.
  7. Kompressor (19), insbesondere ein ölfreier Kompressor, mit einem mehrstufigen Verdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Betriebsverfahren eines mehrstufigen Verdichters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die schaltbare Ventileinrichtung (10) derart geschaltet wird, dass die zumindest eine Hochdruckstufe (2) je nach Schaltstellung der Ventileinrichtung (10) jeweils unterschiedlichen Zylindern (5) zugeordnet wird, insbesondere dass die zumindest eine Hochdruckstufe (2) bei jedem Zylinder-Arbeitstakt einen Zylinder (5) weiter wandert.
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