EP4634527A1 - Radialkolbenverdichter, sowie verfahren zur montage eines radialkolbenverdichters - Google Patents

Radialkolbenverdichter, sowie verfahren zur montage eines radialkolbenverdichters

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Publication number
EP4634527A1
EP4634527A1 EP23822326.7A EP23822326A EP4634527A1 EP 4634527 A1 EP4634527 A1 EP 4634527A1 EP 23822326 A EP23822326 A EP 23822326A EP 4634527 A1 EP4634527 A1 EP 4634527A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
guide ring
piston guide
radial
compressor according
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23822326.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Neukirchner
Sören Franke
Norbert Nitz
Thilo Kowalschek
Ulf MÜLLER
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.)
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Dynamic Components GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Dynamic Components 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
Priority claimed from DE102022133721.9A external-priority patent/DE102022133721A1/de
Priority claimed from LU103051A external-priority patent/LU103051B1/de
Application filed by ThyssenKrupp AG, Thyssenkrupp Dynamic Components GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4634527A1 publication Critical patent/EP4634527A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/0404—Details or component parts
    • F04B1/0426—Arrangements for pressing the pistons against the actuated cam; Arrangements for connecting the pistons to the actuated cam

Definitions

  • Radial piston compressor and method for assembling a radial piston compressor
  • the present invention relates to a radial piston compressor according to the preamble of claim 1, as well as a method for assembling a radial piston compressor according to the preamble of claim 18 or 19.
  • a radial piston compressor essentially comprises a compressor unit and a drive device, preferably an electric motor, for driving the compressor unit.
  • the compressor unit essentially comprises a plurality of piston-cylinder bore assemblies which are arranged radially around an eccentric shaft. The eccentric shaft is accordingly driven by the drive device.
  • a radial piston compressor can comprise a piston guide ring which is operatively connected to the pistons of the piston-cylinder bore assemblies in such a way that a return movement can be exerted on the pistons, i.e. the movement with which the piston is moved from its top dead center to its bottom dead center of the piston movement.
  • a radial piston compressor with a piston guide ring is known, for example, from DE 102020211680 Al.
  • the piston guide ring is usually in contact with the respective piston at one point (without loss of contact) and the piston is brought into contact with the eccentric.
  • This is intended to avoid additional contact changes between the piston guide ring and the piston and between the piston and the eccentric, which has dynamic advantages in terms of the kinematics of the movement sequence and wear-related advantages. Acoustic advantages are also achieved because no rattling noises or other disturbing noises are generated.
  • the piston guide ring keeps the pistons and the transmission elements in sliding contact with the eccentric or with an outer bearing ring of a rolling bearing arranged on the eccentric.
  • a reciprocating piston machine with radially directed piston-cylinder units arranged next to one another in a ring and with an eccentric shaft extending centrally through a housing body of a machine housing, the eccentric of which controls the outward stroke of the pistons, the inward stroke of the pistons being controlled by a ring which surrounds the eccentric shaft and its eccentric with free clearance and is inserted into the pistons. engaging control ring so that the outward stroke of the pistons controls the inward stroke of diametrically opposed pistons.
  • the piston guide ring disclosed in the prior art and designed as a circular ring has little flexibility.
  • the flexibility is low to non-existent. If the radial distance of the contact points on the piston is not the same due to manufacturing tolerances of the components, contact gaps arise between the piston guide ring and the piston. Due to the low flexibility, the guide ring cannot compensate for these tolerances or fluctuations in the radius or diameter in order to ensure that the pistons are constantly in contact with the eccentric. For example, the contact gaps are closed at the reversal point of the piston from the top dead center position towards the lower positions. When this contact is closed, the piston guide ring impacts, which in turn results in negative acoustic effects, i.e. noise. Larger radial distances between the contact points on the piston can, for example, lead to the pistons or swivel segments being tighter on the eccentric due to the largely inflexible circular ring. The result here is, for example, increased friction or wear.
  • the present invention comes in and sets itself the task of proposing an improved radial piston compressor, in particular a radial piston compressor with which the disadvantages outlined above can be overcome or at least reduced.
  • this object is achieved by a radial piston compressor with the characterizing features of claim 1. Because the piston guide ring is designed to be elastic, in particular elastic in the radial direction, at least in sections, preferably completely, the disadvantages outlined above can be overcome or at least reduced.
  • a radially elastic guide ring allows in particular out-of-roundness or a desired deformability in its diameter or in its effective diameter so that it comes into contact with and maintains contact with all contact points on the pistons that are not on a circular path due to tolerances. All pistons are therefore always in contact with the eccentric.
  • the guide ring is elastic, particularly in the radial direction. This results in constant contact between the pistons and the eccentric. This leads to little to no noise, which could be caused, for example, by alternating contact and loss of contact between the piston and the eccentric. Tolerances or deviations in the diameter effective for the piston guide ring can be compensated for, whereby "larger" jumps, i.e. out-of-roundness or deviations from the circular shape, are now also possible between adjacent pistons.
  • the elasticity of the piston guide ring is adjusted via its geometry and/or its modulus of elasticity.
  • the piston guide ring has a radial stiffness between 100 N/mm and 1000 N/mm.
  • the piston guide ring comprises an inner surface.
  • the inner surface essentially serves to make contact with the piston, in particular an active surface of the respective piston.
  • the inner surface preferably faces the eccentric.
  • the pistons each comprise an active surface for engagement of the piston guide ring.
  • the active surface essentially serves as a contact surface for the piston guide ring.
  • the piston guide ring comprises a guide ring and spring-elastic elements.
  • the guide ring as such is not elastic and only the spring-elastic elements are elastic.
  • the spring-elastic elements extend radially from the inside of the guide ring. This corresponds to the preferred direction of action, so that the spring-elastic elements can be used in a targeted manner.
  • the piston guide ring is wider than it is high.
  • Such a design enables a piston guide ring that is already elastic due to its geometry.
  • Such a piston guide ring can be produced accordingly inexpensively.
  • the extension of the piston guide ring in the assembled state is larger in the axial direction than in the radial direction.
  • the piston guide ring has almost two turns, with the ends of the turns facing each other at a distance from each other on different levels, with the piston guide ring as such having an inner diameter.
  • a guide ring is spring-elastic.
  • the profile can be widened for elasticity.
  • the piston guide ring is equipped with a means for fixing it to one of the pistons. This can counteract circulation wandering.
  • the piston guide ring consists of a wound material or comprises a wound material.
  • the piston guide ring is surrounded by a material, in particular a plastic, or is at least partially surrounded. This allows, for example, other desired properties of the piston guide ring to be set.
  • the piston guide ring can have a V-shaped cross section. Accordingly, special geometries can be used.
  • the piston guide ring is designed as a non-closed ring, wherein the piston guide ring has a gap in which the butt ends of the non-closed ring face each other, wherein the piston guide ring has an inner diameter and the butt ends have a distance.
  • a piston guide ring designed in this way can be advantageously assembled. During assembly, the gap can widen and the inner diameter can increase. After assembly, the piston guide ring can assume a state with a corresponding preload.
  • the piston guide ring is designed as a closed ring. In contrast to this, it can also be provided that the piston guide ring is designed as a non-closed ring.
  • a further object of the present invention is to propose an advantageous method for mounting a piston guide ring in a radial piston compressor according to the invention.
  • this object is achieved by the following method steps for a non-closed piston guide ring:
  • the piston guide ring has a first inner diameter and a first distance between the butt ends;
  • the piston guide ring is transferred to an assembly state, the inner diameter is increased to a second inner diameter, the distance between the butt ends is increased to a second distance;
  • the piston guide ring is applied, in particular with its inner circumferential surface, to the pistons, in particular the second active surface of the pistons; - the piston guide ring is transferred to an assembled state, the inner diameter is reduced to a third inner diameter, the distance between the butt ends is reduced to a third distance
  • the piston guide ring in particular the inner circumferential surface, is brought into engagement, in particular positive engagement, with the pistons, in particular with the contact surfaces of the pistons.
  • this object is further achieved by the following method steps for a closed piston guide ring:
  • the piston guide ring has a first inner diameter
  • the piston guide ring is transferred to an assembly state, the inner diameter is increased to a second inner diameter
  • the piston guide ring is applied, in particular with its inner surface, to the pistons, in particular the piston contact surfaces;
  • the piston guide ring in particular the inner circumferential surface, is brought into engagement, in particular positive engagement, with the pistons, in particular with the contact surfaces of the pistons.
  • Fig. 1 to 4 details of pistons for piston-cylinder bore assemblies, piston-cylinder bore assemblies for a radial piston compressor and radial piston compressors in various representations according to the prior art;
  • Fig. 5 shows a piston-cylinder bore assembly for a radial piston compressor according to the invention with an elastic piston guide ring in a first embodiment and a second embodiment;
  • Fig. 5a shows an elastic piston guide ring for a piston-cylinder bore assembly in a perspective view
  • Fig. 5b, c a section of an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a cross-sectional view;
  • FIG. 5d an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a cross-sectional view
  • Fig. 6 shows a piston-cylinder bore assembly for a radial piston compressor according to the invention with an elastic piston guide ring in a third embodiment and a fourth embodiment;
  • Fig. 6a shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a cross-sectional view
  • Fig. 6b shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a cross-sectional view
  • Fig. 6c-f shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a cross-sectional view
  • Fig. 7a shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a perspective view
  • Fig. 7b shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a lateral view
  • Fig. 7c shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a lateral view
  • Fig. 7d shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a lateral view
  • Fig. 8 shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a plan view
  • FIG. 9 several pistons of a compressor unit according to the invention with an elastic piston guide ring in a further embodiment
  • Fig. 9a shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a plan view
  • Fig. 9b shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a plan view
  • Fig. 9c shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a plan view
  • Fig. 10 shows an elastic piston guide ring for a radial piston compressor according to the invention in a perspective view
  • Fig. 11 shows a piston-cylinder bore assembly for a radial piston compressor according to the invention with elastic piston guide rings in a further embodiment
  • pistons for piston-cylinder bore assemblies piston-cylinder bore assemblies for a radial piston compressor and according to the state of the art are described in various representations to explain the basic principle.
  • a radial piston compressor essentially comprises a compressor unit V and a drive device M for driving the compressor unit V.
  • the compressor unit V essentially comprises a plurality of piston-cylinder bore assemblies 1, 2 which are arranged radially around an eccentric shaft 4.
  • the eccentric shaft 4 is accordingly driven by the drive device M.
  • a piston-cylinder bore assembly essentially comprises a cylinder or cylinder bore 2 and a piston 1 slidably received in the cylinder bore 2.
  • the radial piston compressor preferably further comprises a cylinder housing 27 with piston-cylinder bore assemblies accommodated therein.
  • the radial piston compressor further comprises the drive shaft 4 with an eccentric 6.
  • the drive shaft 4 is rotated by a drive means 31, preferably an electric motor.
  • the pistons 1 or cylinders 2 or piston-cylinder bore assemblies 1,2 extend radially from the drive shaft 4 or eccentric 6.
  • the pistons 1 or cylinders or piston-cylinder bore assemblies are preferably arranged in a star shape around the drive shaft 4 or eccentric 6.
  • the radial piston compressor can also be referred to as a compressor based on the radial piston principle.
  • Fig. 1 shows pistons 1 of piston-cylinder bore assemblies in a radial half-section.
  • Pistons 1 are arranged distributed in the circumferential direction around the drive shaft 4.
  • the cylindrical eccentric 6 is designed as an integral part of the drive shaft 4 or as a component that is connected to the drive shaft 4 in a rotationally fixed manner.
  • the center point 7 of the eccentric 6 is arranged offset by a distance from the axis of rotation 5 of the drive shaft 4 to generate the eccentricity.
  • the eccentric 6 has a cylindrical surface 10 with a radius 17 as its outer surface.
  • the piston-cylinder bore assembly according to the invention further preferably comprises a cylindrical piston guide ring 13, which preferably has an inner circumferential surface 14.
  • a transmission element 8 is preferably arranged between the eccentric 6 and the piston 1 of a piston-cylinder bore assembly.
  • the transmission element 8 transmits the stroke of the eccentric 6 to the piston 1 so that the piston executes the compression movement in the direction of top dead center TDC.
  • the transmission elements 8 are supported directly on the cylinder surface 10 of the eccentric 6 via a first support surface 9.
  • the first support surface 9 is designed as a concavely curved cylinder jacket section surface with a first support surface radius 16.
  • the first support surface radius 16 corresponds to the radius 17 of the cylinder surface 10.
  • the first support surface 9 and the cylinder surface 10 are thus complementary to one another.
  • the first support surface 9 could also have a concave shape that deviates from the circular ring shape.
  • the transmission element 8 has a convexly shaped second support surface 12.
  • the second support surface 12 is designed as a cylinder jacket section surface with a second support surface radius 19.
  • the second support surface 12 could also have a convex shape deviating from the cylinder shape instead of a cylinder jacket section shape.
  • the piston 1 is supported on the second support surface 12 of the transmission element 8 via an active surface 11 formed on the piston 1.
  • the active surface 11 of the piston 1 is concavely shaped.
  • the active surface 11 of the piston 1 is designed as a concave cylinder jacket section surface with an active surface radius 22 that corresponds to the second support surface radius 19.
  • the active surface 11 of the piston 1 and the second support surface 12 of the transmission element 8 are thus complementary to one another.
  • the effective surface 11 of the piston 1 could also have a concave shape deviating from the cylindrical shape.
  • a convexly shaped contact surface 15 is formed on the piston 1 or the pistons 1.
  • the contact surface 15 of the piston 1 is a cylinder jacket section surface with a contact surface radius 20.
  • the pistons 1 are in engagement with the piston guide ring 13, in particular in a positive engagement with the pistons 13.
  • the piston is in positive engagement with the piston guide ring 13, in particular with the inner jacket surface 14 of the piston guide ring 13.
  • the engagement, in particular the positive engagement is effective in the direction of the center line 3 of the cylinder bore 2.
  • the piston guide ring 13 Return movement is transmitted to the pistons 1, in particular to the contact surface 15 of the pistons 1, ie the movement with which the piston 1 is moved from the top dead center TDC to the bottom dead center BDC of the piston movement.
  • the second support surface radius 19 of the transmission element 8 and the second effective surface radius 22 of the piston 1 have the same center point 21.
  • the center point 21 corresponds to the point at which the center line 3 of the cylinder bore 2 penetrates the cylinder surface 10 of the eccentric 6.
  • This design measure preferably ensures that the sum of the radius 17 of the cylinder surface 10 and the second effective surface radius 22 of the piston 1 corresponds to the radius 23 of the inner surface 14 of the piston guide ring 13. This ensures that the piston guide ring 13 with its inner surface 14 does not generally lose contact with the contact surface 15 of the piston 1, i.e. in any angular position of the eccentric 6 or the drive shaft 4.
  • the piston guide ring 13 is always in contact (without loss of contact) with the respective piston 1.
  • This avoids additional contact changes between the piston guide ring 13 and piston 1 or between the piston 1 and the eccentric 6 or eccentric bearing 25, which has dynamic advantages in terms of the kinematics of the movement sequence and wear-related advantages.
  • This also results in acoustic advantages because no rattling noises or other disturbing noises are generated.
  • the eccentric 6 can also be equipped with a rolling bearing 26.
  • the rolling bearing 26 generally comprises an outer bearing ring 25 which, instead of the eccentric disk, forms the surface of the eccentric 6 facing the piston 1.
  • the piston guide ring 13 guides the pistons 1 on the eccentric 6 (or on the bearing outer ring 25) and prevents the pistons 1 from “lifting off” the cylinder surface 10 (or the outer surface 24 of the outer ring 25 of the rolling bearing) during a downward movement/return movement of the pistons 1.
  • the piston guide ring 13 slides on the second active surface 15 formed on the piston 1.
  • the piston guide ring 13 holds the pistons 1 and the transmission elements 8 in sliding contact with the eccentric 6 (or with a bearing outer ring 25 of a rolling bearing 26 arranged on the eccentric).
  • Fig. 2 shows piston 1 of piston-cylinder bore assemblies in an exploded view.
  • the transmission elements 8 are supported on the outer ring 25 of the roller bearing 26.
  • the eccentric 6 is not shown in Fig. 2.
  • the contact surface 15 of the piston 1 is also designed such that it interacts with the inner surface 14 of the piston guide ring 13.
  • Fig. 3 shows a schematic of a radial piston compressor with piston-cylinder bore assemblies according to the invention.
  • the piston-cylinder bore assemblies are designed such that the transmission elements 8 have concave first support surfaces 9 in the shape of a cylinder section and the second support surfaces 12 of the transmission elements 8 are designed in the shape of a cylinder section and interact with the first active surfaces 11 in the shape of a cylinder section of the pistons 1.
  • the cylinder bores 2 are arranged in a cylinder housing 27.
  • the individual pistons 1 are driven by a single drive shaft 4 with an eccentric 6.
  • Fig. 3 In order to achieve a better overview, all the details that a complete radial piston compressor has have not been shown in Fig. 3. For example, all valve arrangements and inflow and outflow channels for the coolant are missing. Due to the piston-cylinder bore assemblies, the radial piston compressor according to Fig. 3 is small in the radial direction and also in the axial direction, i.e. it requires little installation space in both directions.
  • the piston guide ring is designed to be elastic, in particular elastic in the radial direction, at least in sections, preferably completely.
  • the elasticity of the piston guide ring can be adjusted via its geometry and/or its modulus of elasticity.
  • the piston guide ring has a radial stiffness of between 100 N/mm and 1000 N/mm. High-strength and higher-strength steels can be used as materials for the piston guide ring.
  • the piston guide ring 13 has an elasticity in the radial direction, preferably so that it comes into contact with all contact points that are not on a circular path due to tolerances - i.e. a desired deformability of the piston guide ring 13 is sought, with the aim of having no contact gap.
  • Fig. 5 shows a piston-cylinder bore assembly for a radial piston compressor according to the invention with two different embodiments of elastic piston guide rings.
  • the piston guide ring 13 shown on the right is shown in perspective in Fig. 5a.
  • the piston guide ring 13 essentially comprises a guide ring 131 and spring-elastic elements 132.
  • the guide ring 131 as such has little elasticity in the radial direction. It can also be seen in Fig. 5 that the spring-elastic elements 132 extend radially from the inside of the guide ring 131.
  • Fig. 5b to 5e further examples of the design of the piston guide ring 13, in particular of the spring-elastic elements 132, are shown.
  • the orientation of the spring-elastic elements 132 can be radial, axial or a mixture of radial and axial orientations, in particular oblique orientations.
  • Fig. 5c an oblique orientation of the spring-elastic element 132 is shown.
  • Fig. 5b a more axial orientation of the spring-elastic element 132 is shown.
  • a diameter D is shown in Fig. 5a, 5d and 5e. It is preferably provided that the spring-elastic elements 132 form the diameter D of the piston guide ring 13, which is effective for the pistons 1.
  • Fig. 5b and Fig. 5c the guide rings according to Fig. 5 are shown in a cross-section in a detail.
  • the relative position in the assembled state is illustrated by the axis of rotation 5 of the drive shaft.
  • the guide ring 131 and the spring-elastic elements 132 it is also possible for the guide ring 131 and the spring-elastic elements 132 to extend over the entire circumference of the piston guide ring 13, as indicated in Fig. 5d, 5e.
  • Such a piston guide ring 13 is easier to assemble, since no precise assignment of the individual spring-elastic elements 132 to the piston contact points is required.
  • a piston-cylinder bore assembly for a radial piston compressor according to the invention is shown with two different embodiments of elastic piston guide ring 13.
  • the piston guide ring 13 shown on the right side is shown in part in cross-section in Fig. 6a.
  • the piston guide ring 13 shown on the left is shown in part in cross-section in Fig. 6b.
  • the piston guide rings 13 shown here are spring-elastic due to their geometry, in particular due to a cross-sectional shape that is wider than it is high. In other words, the expansion of the piston guide ring 13 in the assembled state is greater in the axial direction than in the radial direction.
  • the width of the piston guide ring 13 is identified by the reference symbol B and the height by the reference symbol H.
  • Fig. 6c and d the piston guide rings 13 according to Fig. 6 are shown in a relaxed state.
  • the piston guide rings 13 have an inner diameter D.
  • Fig. 6c and Fig. 6d show the guide rings 13 in cross section, whereby the rotation axis 5 of the drive shaft 4 is also intended to clarify the position in assembly.
  • the piston guide ring 13 according to Fig. 6c is shown as an example in a state during assembly.
  • the piston guide ring 13 has a second inner diameter D'. It can be seen that the second inner diameter D' is larger in a state during assembly than in a relaxed state (D, Fig. 6c).
  • the piston guide ring 13 is threaded on in particular over piston contact surfaces 15. This is in particular a state in which the piston guide ring 13 should be maximally elastically pre-tensioned.
  • the piston guide ring 13 is shown in a mounted state on the piston.
  • the piston guide ring 13 has a third inner diameter D". It can be seen that the third inner diameter D" is smaller in a mounted state than in a state during assembly (D', Fig. 9b). On the other hand, the third diameter D" is larger in a mounted state than in a relaxed state (D, Fig. 9a).
  • the piston guide ring 13 is thus elastically pre-stressed so that it comes into contact with all contact points (which, due to tolerances, are not on a circular path) so that no contact gap can form at the contact points of the pistons 1.
  • the diameter D of the piston guide ring 13 will always be smaller than the smallest diameter defined by 3 contact points of the pistons.
  • the preload should be as small as possible, since a large preload increases friction, which is not desirable.
  • the design of the preload must also take into account the material limits (with regard to Hertzian pressure and fatigue strength) for both the piston guide ring 13 and the piston contact 15 under permanent stress.
  • Fig. 7a to 7d only elastic piston guide rings 13 are shown in different states and views.
  • the piston guide ring 13 shown here has two turns or almost two turns. The turns are arranged one above the other. The butt ends of the turns are opposite each other at a distance A from each other on different levels.
  • the piston guide ring 13 as such has an inner diameter D.
  • the material width of the piston guide ring 13 is identified by the reference symbol B.
  • the piston guide ring 13 is shown in a relaxed state. Accordingly, the aforementioned reference symbols D, A, B refer to the respective sizes in the relaxed state. For better differentiation, we will speak here of a first inner diameter D and a first distance A.
  • Fig. 7c the piston guide ring 13 is shown in a maximally elastically prestressed state.
  • the reference symbols used for this are D' and A' accordingly.
  • D' and A' accordingly.
  • D' and A' we will speak here of a second inner diameter D' and a second distance A'. It can be seen that the second distance A' between the butt ends and the second inner diameter D' are larger in a state during assembly than in a relaxed state (A, D, Fig. 7a, 7b).
  • Fig. 7d the piston guide ring 13 is shown in an elastically prestressed state during operation.
  • the reference symbols used for this are D" and A".
  • a third inner diameter D" and a third distance A" are referred to here. It can be seen that the third distance A" between the butt ends and the third inner diameter D" are smaller in an assembled state than in a state during assembly (A', D', Fig. 7c). On the other hand, the third distance A" and the third diameter D" are larger in an assembled state than in a relaxed state (A, D, Fig. 7a, 7b).
  • an embodiment of an elastic piston guide ring 13 is shown in a top view. Here it is provided or can be seen that the piston guide ring 13 is designed as a closed ring. In contrast to this, some of the embodiments of piston guide rings 13 described below are designed as non-closed rings, i.e. they have an interruption or gap.
  • the piston guide ring 13 is equipped with a means 133 for fixing it to one of the pistons. Accordingly, no rotational wandering is possible since the piston guide ring is fixed to a piston.
  • FIG. 9 several pistons 1 of a radial piston compressor according to the invention with an elastic piston guide ring 13 are shown in a further embodiment.
  • Figs. 9a to 9c the piston guide ring 13 from Fig. 9 is shown in various states, which will be discussed below.
  • the piston guide ring 13 is a non-closed piston guide ring.
  • the piston guide ring 13 is not closed, but there is a gap where two butt ends of the piston guide ring face each other.
  • the butt ends have a distance A and the piston guide ring has an inner diameter D or, as explained later, an inner diameter D' and D" or distance A' and A".
  • a first inner diameter D, a second inner diameter D' and a third inner diameter D as well as a first distance A, a second distance A' and a third distance A".
  • Fig. 9a the piston guide ring 13 is shown in a relaxed state. The distance between the butt ends is marked with the reference symbol A.
  • the piston guide ring has an inner diameter D.
  • Fig. 9b the piston guide ring 13 is shown in a state during assembly.
  • the distance between the butt ends is marked with the reference symbol A'.
  • the piston guide ring has a second inner diameter D'. It can be seen that the second distance A' between the butt ends and the second inner diameter D' is larger in a state during assembly than in a relaxed state (A, D, Fig. 9a).
  • the piston guide ring 13 is in particular Piston contact surfaces 15 are threaded. This is particularly a state in which the piston guide ring 13 should be maximally elastically preloaded.
  • Fig. 9c the piston guide ring 13 is shown in a mounted state on the piston.
  • the distance between the butt ends is marked with the reference symbol A".
  • the piston guide ring 13 has an inner diameter D". It can be seen that the third distance A" between the butt ends and the third inner diameter D" are smaller in a mounted state than in a state during assembly (A', D', Fig. 9b). On the other hand, the third distance A" and the third diameter D" are larger in a mounted state than in a relaxed state (A, D, Fig. 9a). In the mounted state, the piston guide ring is elastically preloaded.
  • the piston guide ring 13 has a first inner diameter D and a first distance A between the butt ends;
  • the piston guide ring 13 is brought into an assembled state, the inner diameter is increased to a second inner diameter D', the distance between the butt ends is increased to a second distance A';
  • the piston guide ring 13 is applied, in particular with its inner circumferential surface 14, to the pistons 1, in particular the piston contact surfaces 15;
  • the piston guide ring 13 in particular the inner circumferential surface 14, is brought into engagement, in particular positive engagement, with the pistons 1, in particular with the contact surfaces 15 of the pistons 1.
  • a closed piston guide ring 13 the piston guide ring 13 is in a relaxed state, the piston guide ring 13 has a first inner diameter D; - the piston guide ring 13 is transferred to an assembly state, the inner diameter is increased to a second inner diameter D';
  • the piston guide ring 13 is applied, in particular with its inner circumferential surface 14, to the pistons 1, in particular the piston contact surfaces 15;
  • the piston guide ring 13 in particular the inner circumferential surface 14, is brought into engagement, in particular positive engagement, with the pistons 1, in particular with the contact surfaces 15 of the pistons 1.
  • FIG. 10 a further embodiment of an elastic piston guide ring 13 for a radial piston compressor according to the invention is shown in a perspective view. This is a closed piston guide ring.
  • the piston guide ring 13 shown here consists of or comprises a wound material, such as an endless spring.
  • a piston-cylinder bore assembly for a radial piston compressor according to the invention with elastic piston guide rings 13 is shown in a further embodiment.
  • the piston guide rings 13 shown schematically here are in particular piston guide rings that are surrounded or at least partially surrounded by a material, in particular a plastic.
  • the piston guide ring as such can be designed as a closed or non-closed ring.
  • piston guide rings 13 represent an elastic piston guide ring made of a wound material which is at least partially surrounded by a material, in particular plastic K.
  • the piston guide rings 13 of Fig. 11c and 11d represent an elastic piston guide ring 13 made of a material with a V-shaped cross section, which is at least partially surrounded by a material, in particular plastic K.
  • the diameter D i.e. the effective diameter of the piston guide ring
  • the diameter D should always be smaller than the smallest outside diameter, defined by, for example, three contact points of the pistons, i.e. the The ring is then installed with a preload.
  • the size of the preload should be as small as possible, as a high preload increases friction, which is not desirable.
  • the design of the preload for the piston guide ring should not exceed the material limits (particularly with regard to Hertzian pressure and bending fatigue strength) for both the piston guide ring and the piston contact under permanent stress.
  • the piston guide ring should have the required rigidity so that each piston is in contact with the eccentric with its piston base and thus the piston stroke curve follows the stroke curve from the eccentric. This results in a thermodynamic advantage in particular.
  • the piston guide ring should have the required flexibility, in particular the ability to deform, in order to be able to ensure the tolerance compensation of the contact points in the radial direction of neighboring pistons.
  • the diameter of the piston guide ring should be larger than the diameter of the contact points.
  • the component should have the required strength with regard to pressure in contact and fatigue strength under bending stress.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialkolbenverdichter, umfassend - eine Verdichtereinheit (V) und eine Antriebseinrichtung (M) zum Antrieb der Verdichtereinheit (V), wobei - die Verdichtereinheit (V) mindestens zwei Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen (1, 2), vorzugsweise eine Mehrzahl von Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen (1, 2), umfasst, die radial um eine Exzenterwelle (4) angeordnet sind, wobei - die Exzenterwelle (4) von der Antriebseinrichtung (M) angetrieben wird, wobei - jede Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe einen Kolben (1) umfasst, wobei - der Radialkolbenverdichter, insbesondere die Verdichtereinheit (V), einen Kolbenführungsring (13) umfasst, wobei - die Kolben (1) in Kontakt, insbesondere in formschlüssigem Eingriff, mit dem Kolbenführungsring (13) sind, wobei - der Kolbenführungsring (13) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, elastisch, insbesondere in radialer Richtung elastisch, ausgestaltet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein vorteilhaftes Verfahren zur Montage eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters.

Description

Radialkolbenverdichter, sowie Verfahren zur Montage eines Radialkolbenverdichters
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialkolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Montage eines Radialkolbenverdichters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18 bzw. 19.
Ein Radialkolbenverdichter umfasst im Wesentlichen eine Verdichtereinheit und eine Antriebseinrichtung, vorzugsweise Elektromotor, zum Antrieb der Verdichtereinheit. Die Verdichtereinheit umfasst im Wesentlichen eine Mehrzahl von Kolben-Zylinderbohrung- Baugruppen die radial um eine Exzenterwelle angeordnet sind. Die Exzenterwelle wird entsprechend von der Antriebseinrichtung angetrieben.
Ferner kann ein Radialkolbenverdichter einen Kolbenführungsring umfassen, der mit den Kolben der Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen in einer Wirkverbindung steht, dergestalt, dass eine Rückstellbewegung auf die Kolben ausgeübt werden kann, d.h. die Bewegung, mit der der Kolben aus seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt der Kolbenbewegung bewegt wird.
Ein Radialkolbenverdichter mit einem Kolbenführungsring ist beispielsweise aus der DE 102020211680 Al bekannt geworden. Der Kolbenführungsring steht auf diese Weise in der Regel an einem Punkt in Kontakt (ohne Kontaktverlust) zum jeweiligen Kolben und der Kolben wird zur Anlage am Exzenter gebracht. Damit sollen zusätzliche Kontaktwechsel zwischen Kolbenführungsring und Kolben sowie zwischen Kolben und Exzenter vermieden werden, was dynamische Vorteile hinsichtlich der Kinematik des Bewegungsablaufs und verschleißtechnische Vorteile hat. Auch akustische Vorteile werden dadurch erreicht, weil keine Klappergeräusche oder sonstigen störenden Geräusche entstehen. Der Kolbenführungsring hält die Kolben und die Übertragungselemente im Gleitkontakt zum Exzenter bzw. zu einem Lageraußenring eines an dem Exzenter angeordneten Wälzlagers.
Auch ist aus der DE 103 56 373 Al eine Hubkolbenmaschine mit ringförmig nebeneinander angeordneten, radial gerichteten Kolben-Zylindereinheiten und mit einer zentral durch einen Gehäusekörper eines Maschinengehäuses sich erstreckenden Exzenterwelle bekannt geworden, deren Exzenter den Auswärtshub der Kolben steuert, wobei der Einwärtshub der Kolben durch einen die Exzenterwelle und deren Exzenter mit freiem Abstand umschließenden, in die Kolben eingreifenden Steuerring gesteuert wird, so dass der Auswärtshub der Kolben den Einwärtshub von diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben steuert.
Der im Stand der Technik offenbarte und als Kreisring ausgebildete Kolbenführungsring weist eine geringe Flexibilität auf. Die Flexibilität ist gering bis gar nicht vorhanden. Wenn der radiale Abstand der Kontaktpunkte am Kolben, bedingt aus Fertigungstoleranzen der Bauteile, nicht gleich ist, ergeben sich Kontaktlücken zwischen Kolbenführungsring und Kolben. Aufgrund der geringen Flexibilität kann der Führungsring diese Toleranzen bzw. Schwankungen im Radius bzw. Durchmesser nicht ausgleichen, um ein ständiges Anliegen der Kolben am Exzenter sicher zu stellen. So werden die Kontaktlücken beispielsweise im Umkehrpunkt des Kolbens von der oberen Totpunktlage in Richtung untere Lagen geschlossen. Bei diesem Kontaktschluss kommt es beispielsweise zum Aufprallen des Kolbenführungsringes, was wiederum negative akustische Effekte, also Geräusche, zur Folge hat. Größere radiale Abstände der Kontaktpunkte am Kolben können aufgrund des weitestgehend unflexiblen Kreisringes beispielsweise auch zu strafferem Anliegen von Kolben bzw. Schwenksegmenten am Exzenter führen. Die Folge ist hier bspw. eine erhöhte Reibung bzw. Abnutzung.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe einen verbesserten Radialkolbenverdichter vorzuschlagen, insbesondere einen Radialkolbenverdichter vorzuschlagen, mit dem die oben skizzierten Nachteile überwunden, zumindest aber reduziert werden können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Radialkolbenverdichter mit einem Kolbenführungsring vorzuschlagen, dessen Kolbenführungsring dazu eingerichtet ist, stets den Kontakt zwischen Kolben und Kolbenführungsring auszubilden/zu halten, also Kontaktlücken zu vermeiden, um Toleranzen und/oder Schwankungen im Durchmesser durch 3 Kontaktpunkte der Kolben auszugleichen, insbesondere um ein ständiges Anliegen der Kolben am Exzenter sicherzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Radialkolbenverdichter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Kolbenführungsring zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, elastisch, insbesondere in radialer Richtung elastisch, ausgestaltet ist, können die oben skizzierten Nachteile überwunden, zumindest aber gemindert werden.
Ein radial elastisch wirkender Führungsring lässt insbesondere Unrundheiten bzw. eine gewünschte Deformierbarkeit in seinem Durchmesser bzw. in seinem wirksamen Durchmesser zu, damit er zu allen Kontaktpunktender Kolben, die Toleranzbedingt nicht auf einer Kreisbahn liegen, in Kontakt kommt und hält. Alle Kolben haben so stets Kontakt zum Exzenter. Im Bereich der Kolben-Führungsringanbindung ergibt sich eine Elastizität des Führungsringes in insbesondere radialer Richtung. Es ergibt sich ein stetiger Kontakt der Kolben bzw. der am Exzenter. Dies führt zu wenig bis keinen Geräuschen, die beispielsweise durch einen Wechsel zwischen Kontakt und Verlust des Kontaktes zwischen Kolben und Exzenter entstehen könnten. Toleranzen bzw. Abweichungen des für den Kolbenführungsring wirksamen Durchmessers, können ausgeglichen werden, wobei nun auch „größere“ Sprünge, also Unrundheiten bzw. Abweichungen von der Kreisform, zwischen benachbarten Kolben möglich sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Elastizität des Kolbenführungsrings über dessen Geometrie und/oder dessen E-Modul eingestellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring eine radiale Steifigkeit zwischen 100 N/mm und 1000 N/mm aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Material für den Kolbenführungsring hochfeste- und höherfeste Stähle in Frage kommen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring eine Innenmantelfläche umfasst. Die Innenmantelfläche dient im Wesentlichen zur Kontaktierung mit den Kolben, insbesondere einer Wirkfläche des jeweiligen Kolbens. Die Innenmantelfläche ist vorzugsweise dem Exzenter zugewandt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kolben jeweils eine Wirkfläche zum Eingriff des Kolbenführungsringes umfassen. Die Wirkfläche dient im Wesentlichen als Kontaktfläche zu dem Kolbenführungsring.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring einen Führungsring und federelastische Elemente umfasst. Hier kann vorgesehen sein, dass der Führungsring als solches nicht elastisch ist und lediglich die federelastischen Elemente elastisch sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich die federelastischen Elemente radial von der Innenseite des Führungsringes erstrecken. Dies entspricht der bevorzugten Wirkrichtung, so dass die federelastischen Elemente zielgerichtet eingesetzt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring breiter als hoch ausgestaltet ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht einen Kolbenführungsring, der bereits auf Grund seiner Geometrie elastisch ist. Ein derartiger Kolbenführungsring ist entsprechend kostengünstig herstellbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausdehnung des Kolbenführungsrings im montierten Zustand in axialer Richtung größer als in radialer Richtung ausgestaltet ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann sich ein geometriebedingt federelastischer Führungsring ergeben. Ein derartiger Kolbenführungsring ist entsprechend kostengünstig herstellbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring nahezu zwei Windungen aufweist, wobei die Enden der Windungen sich mit einem Abstand zueinander auf unterschiedlichen Ebenen gegenüberstehen, wobei der Kolbenführungsring als solches einen Innendurchmesser aufweist. Ein derartiger Führungsring ist federelastisch. Es kann eine Aufweitung des Profils für die Elastizität stattfinden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring mit einem Mittel zur Fixierung an einem der Kolben ausgestattet ist. Hierdurch kann einem Umlauf-Wandern entgegengewirkt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring aus einem gewundenen Material besteht bzw. ein gewundenes Material umfasst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring mit einem Material, insbesondere einem Kunststoff, umgeben oder zumindest teilweise umgeben ist. Hierdurch können beispielsweise weitere gewünschte Eigenschaften des Kolbenführungsringes eingestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring einen V-förmigen Querschnitt aufweist. Es können entsprechend spezielle Geometrien verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring als nicht geschlossener Ring ausgestaltet ist, wobei der Kolbenführungsring einen Spalt aufweist in dem sich Stoßenden des nicht geschlossenen Ringes gegenüberstehen, wobei der Kolbenführungsring einen Innendurchmesser und die Stoßenden einen Abstand aufweisen. Ein derart ausgestalteter Kolbenführungsring lässt sich vorteilhaft montieren. Während der Montage kann sich der Spalt aufweiten und der Innendurchmesser kann sich vergrößern. Nach der Montage kann der Kolbenführungsring einen Zustand mit einer entsprechenden Vorspannung einnehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring als geschlossener Ring ausgestaltet ist. Im Gegensatz hierzu kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der Kolbenführungsring als nicht geschlossener Ring ausgestaltet ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein vorteilhaftes Verfahren zur Montage eines Kolbenführungsrings in einem erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die nachfolgenden Verfahrensschritte für einen nicht geschlossenen Kolbenführungsring gelöst:
- der Kolbenführungsring befindet sich in einem entspannten Zustand, der Kolbenführungsring weist einen ersten Innendurchmesser und einen ersten Abstand der Stoßenden auf;
- der Kolbenführungsring wird in einen Montagezustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen zweiten Innendurchmesser vergrößert, der Abstand der Stoßenden wird auf einen zweiten Abstand vergrößert;
- der Kolbenführungsring wird, insbesondere mit seiner Innenmantelfläche, auf die Kolben, insbesondere die zweiten Wirkfläche der Kolben, aufgebracht; - der Kolbenführungsring wird in einen montierten Zustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen dritten Innendurchmesser verkleinert, der Abstand der Stoßenden wird auf einen dritten Abstand verkleinert
- der Kolbenführungsring, insbesondere die Innenmantelfläche, ist mit den Kolben, insbesondere mit den Kontaktflächen der Kolben, in Eingriff, insbesondere formschlüssigen Eingriff, gebracht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ferner durch die nachfolgenden Verfahrensschritte für einen geschlossenen Kolbenführungsring gelöst:
- der Kolbenführungsring befindet sich in einem entspannten Zustand, der Kolbenführungsring weist einen ersten Innendurchmesser auf;
- der Kolbenführungsring wird in einen Montagezustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen zweiten Innendurchmesser vergrößert;
- der Kolbenführungsring wird, insbesondere mit seiner Innenmantelfläche, auf die Kolben, insbesondere die Kolbenkontaktflächen, aufgebracht;
- der Kolbenführungsring wird in einen montierten Zustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen dritten Innendurchmesser verkleinert;
- der Kolbenführungsring, insbesondere die Innenmantelfläche, ist mit den Kolben, insbesondere mit den Kontaktflächen der Kolben, in Eingriff, insbesondere formschlüssigen Eingriff, gebracht.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 bis 4 Details von Kolben für Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen, Kolben- Zylinderbohrung-Baugruppen für einen Radialkolbenverdichter sowie Radialkolbenverdichter in verschiedenen Darstellungen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 5 eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter mit einem elastischen Kolbenführungsring in einer ersten Ausführungsform und einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5a ein elastischer Kolbenführungsring für eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe in einer perspektivischen Darstellung;
Fig.5b, c ein Abschnitt eines elastischen Kolbenführungsrings für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 5d,e ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 6 eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter mit einem elastischen Kolbenführungsring in einer dritten Ausführungsform und einer vierten Ausführungsform;
Fig. 6a ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 6b ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Querschnittsdarstellung;
Fig .6c-f ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 7a ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 7b ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer seitlichen Darstellung;
Fig. 7c ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer seitlichen Darstellung;
Fig. 7d ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer seitlichen Darstellung; Fig. 8 ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Draufsicht;
Fig. 9 mehrere Kolben einer erfindungsgemäßen Verdichtereinheit mit einem elastischen Kolbenführungsring in einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 9a ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Draufsicht;
Fig. 9b ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Draufsicht;
Fig. 9c ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer Draufsicht;
Fig. 10 ein elastischer Kolbenführungsring für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 11 eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter mit elastischen Kolbenführungsringen in einer weiteren Ausführungsformen;
Fig. lla-d Abschnitte von elastischen Kolbenführungsringen in weiteren Ausführungsformen.
Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:
1 Kolben
2 Zylinderbohrung
3 Mittellinie der Zylinderbohrung
4 Antriebswelle / Exzenterwelle
5 Rotationsachse der Antriebswelle
6 Exzenter
7 Mittelpunkt des Exzenters
8 Übertragungselement
9 erste Stützfläche des Übertragungselements
10 Zylinderfläche
11 Wirkfläche des Kolbens
12 zweite Stützfläche des Übertragungselements
13 Kolbenführungsring
14 Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings
15 Kontaktfläche des Kolbens
16 erster Stützflächenradius
17 Radius der Zylinderfläche 19 zweiter Stützflächenradius
20 zweiter Wirkflächenradius
21 Mittelpunkt
22 erster Wirkflächenradius
23 Radius der Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings
24 Außenmantelfläche
25 Außenring
26 Wälzlager
27 Zylindergehäuse
131 Führungsring
132 federelastisches Element
133 Mittel zur Fixierung an einem der Kolben
V Verdichtereinheit
M Antriebseinrichtung
A (', ") Spalt bzw. Abstand der Stoßenden
D (', ") Innendurchmesser
B Breite
H Höhe
K Kunststoffhülle
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine" und „der/die/das" auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf" und/oder „aufweisend", wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder" jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente. Zunächst wird auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen.
Hier werden Details von Kolben für Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen, Kolben- Zylinderbohrung-Baugruppen für einen Radialkolbenverdichter sowie gemäß dem Stand der Technik in verschiedenen Darstellungen beschrieben, um das Grundprinzip zu erläutern.
Ein Radialkolbenverdichter umfasst im Wesentlichen eine Verdichtereinheit V und eine Antriebseinrichtung M zum Antrieb der Verdichtereinheit V. Die Verdichtereinheit V umfasst im Wesentlichen eine Mehrzahl von Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen 1, 2 die radial um eine Exzenterwelle 4 angeordnet sind. Die Exzenterwelle 4 wird entsprechend von der Antriebseinrichtung M angetrieben.
Eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe umfasst im Wesentlichen einen Zylinder bzw. Zylinderbohrung 2 und einen in der Zylinderbohrung 2 verschiebbar aufgenommenen Kolben 1.
Der Radialkolbenverdichter umfasst ferner vorzugsweise ein Zylindergehäuse 27 mit darin aufgenommenen Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen. Ferner umfasst der Radialkolbenverdichter die Antriebswelle 4 mit einem Exzenter 6. Die Antriebswelle 4 wird von einem Antriebsmittel 31, vorzugsweise einem Elektromotor, in Drehung versetzt.
Im Gegensatz zu einem Axialkolbenverdichter, erstrecken sich die Kolben 1 bzw. Zylinder 2 bzw. Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen 1,2 radial von der Antriebswelle 4 bzw. Exzenter 6. Die Kolben 1 bzw. Zylinder bzw. Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen sind vorzugsweise sternförmig um die Antriebswelle 4 bzw. Exzenter 6 angeordnet. Der Radialkolbenverdichter kann auch als Verdichter nach dem Radialkolbenprinzip angesprochen werden.
Fig. 1 zeigt Kolben 1 von Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen im radialen Halbschnitt. In Fig. 1 ist lediglich die Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4 kenntlich gemacht. In Umfangsrichtung um die Antriebswelle 4 verteilt sind Kolben 1 angeordnet. Die Mittellinien 3 der in Fig.l aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellten Zylinderbohrungen 2 schneiden sich in der Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4. Der zylindrische Exzenter 6 ist als integraler Bestandteil der Antriebswelle 4 oder als drehfest mit der Antriebswelle 4 verbundenes Bauteil ausgebildet. Der Mittelpunkt 7 des Exzenters 6 ist zur Erzeugung der Exzentrizität um einen Abstand versetzt zu der Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4 angeordnet. Der Exzenter 6 weist als Mantelfläche eine Zylinderfläche 10 mit einem Radius 17 auf. Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe umfasst weiter vorzugsweise einen zylindrischen Kolbenführungsring 13, der vorzugsweise eine Innenmantelfläche 14 aufweist.
Zwischen dem Exzenter 6 und dem Kolben 1 einer Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe ist bevorzugt ein Übertragungselement 8 angeordnet. Mit dem Übertragungselement 8 wird der Hub des Exzenters 6 auf den Kolben 1 übertragen, damit dieser die Verdichtungsbewegung in Richtung oberer Totpunkt OT ausführt. Die Übertragungselemente 8 stützen sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine erste Stützfläche 9 unmittelbar auf der Zylinderfläche 10 des Exzenters 6 ab. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Stützfläche 9 als konkav gewölbte Zylindermantelabschnittsfläche mit einem ersten Stützflächenradius 16 ausgebildet. Der erste Stützflächenradius 16 entspricht dabei dem Radius 17 der Zylinderfläche 10. Die erste Stützfläche 9 und die Zylinderfläche 10 sind somit komplementär zueinander ausgebildet. Grundsätzlich könnte die erste Stützfläche 9 auch eine von der Kreisringform abweichende konkave Form haben.
Das Übertragungselement 8 weist eine konvex geformte zweite Stützfläche 12 auf. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Stützfläche 12 als Zylindermantelabschnittsfläche mit einem zweiten Stützflächenradius 19 ausgebildet. Grundsätzlich könnte die zweite Stützfläche 12 anstelle einer Zylindermantelabschnittsform auch eine von der Zylinderform abweichende konvexe Form aufweisen. Auf der zweiten Stützfläche 12 des Übertragungselements 8 stützt sich der Kolben 1 über eine an dem Kolben 1 ausgebildete Wirkfläche 11 ab. Die Wirkfläche 11 des Kolbens 1 ist konkav geformt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wirkfläche 11 des Kolbens 1 als konkave Zylindermantelabschnittsfläche mit einem Wirkflächenradius 22 ausgebildet, der dem zweiten Stützflächenradius 19 entspricht. Die Wirkfläche 11 des Kolbens 1 und die zweite Stützfläche 12 des Übertragungselements 8 sind somit zueinander komplementär ausgebildet. Grundsätzlich könnte die Wirkfläche 11 des Kolbens 1 auch eine von der Zylinderform abweichende konkave Form aufweisen.
An dem Kolben 1 bzw. den Kolben 1 ist eine konvex geformte Kontaktfläche 15 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktfläche 15 des Kolbens 1 eine Zylindermantelabschnittsfläche mit einem Kontaktflächenradius 20. Die Kolben 1 stehen in Eingriff mit dem Kolbenführungsring 13, insbesondere in einem formschlüssigen Eingriff mit den Kolben 13. Insbesondere über die Kontaktfläche 15 steht der Kolben in formschlüssigem Eingriff mit dem Kolbenführungsring 13, insbesondere mit der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13. Der Eingriff, insbesondere der formschlüssige Eingriff, ist wirksam in Richtung der Mittellinie 3 der Zylinderbohrung 2. Durch den Kolbenführungsring 13 wird die Rückstellbewegung auf die Kolben 1, insbesondere auf die Kontaktfläche 15 der Kolben 1 übertragen, d.h. die Bewegung, mit der der Kolben 1 aus dem oberen Totpunkt OT in den unteren Totpunkt UT der Kolbenbewegung bewegt wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen der zweite Stützflächenradius 19 des Übertragungselements 8 und der zweite Wirkflächenradius 22 des Kolbens 1 denselben Mittelpunkt 21 auf. Der Mittelpunkt 21 entspricht dabei demjenigen Punkt, in dem die Mittellinie 3 der Zylinderbohrung 2 die Zylinderfläche 10 des Exzenters 6 durchstößt. Durch diese konstruktive Maßnahme wird vorzugsweise erreicht, dass die Summe aus dem Radius 17 der Zylinderfläche 10 und dem zweiten Wirkflächenradius 22 des Kolbens 1 dem Radius 23 der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13 entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der Kolbenführungsring 13 mit seiner Innenmantelfläche 14 in der Regel nicht, d.h. in keiner Winkelstellung des Exzenters 6 bzw. der Antriebswelle 4, den Kontakt zur Kontaktfläche 15 des Kolbens 1 verliert. Der Kolbenführungsring 13 steht beispielsweise auf diese Weise immer in Kontakt (ohne Kontaktverlust) zum jeweiligen Kolben 1. Damit werden zusätzliche Kontaktwechsel und zwischen Kolbenführungsring 13 und Kolben 1 bzw. zwischen Kolben 1 und Exzenter 6 bzw. Exzenterlager 25 vermieden, was dynamische Vorteile hinsichtlich der Kinematik des Bewegungsablaufs und verschleißtechnische Vorteile hat. Auch akustische Vorteile werden dadurch erreicht, weil keine Klappergeräusche oder sonstigen störenden Geräusche entstehen.
Wie in Fig. 3 erkennbar, kann der Exzenter 6 auch mit einem Wälzlager 26 ausgestattet sein. Das Wälzlager 26 umfasst in der Regel einen Lageraußenring 25, der statt der Exzenterscheibe die den Kolben 1 gewandte Oberfläche des Exzenters 6 bildet.
Der Kolbenführungsring 13 führt die Kolben 1 an dem Exzenter 6 (bzw. am Lageraußenring 25 und verhindert ein „Abheben“ der Kolben 1 von der Zylinderfläche 10 (bzw. der Außenmantelfläche 24 des Außenrings 25 des Wälzlagers) bei einer Abwärtsbewegung/Rückstellbewegung der Kolben 1. Der Kolbenführungsring 13 gleitet auf der an dem Kolben 1 ausgebildeten zweiten Wirkfläche 15. Der Kolbenführungsring 13 hält die Kolben 1 und die Übertragungselemente 8 im Gleitkontakt zum Exzenter 6 (bzw. zu einem Lageraußenring 25 eines an dem Exzenter angeordneten Wälzlagers 26).
Fig. 2 zeigt Kolben 1 von Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen in einer Explosionsdarstellung. Es stützen sich die Übertragungselemente 8 auf dem Außenring 25 des Wälzlagers 26 ab. Der Exzenter 6 ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Auch Kontaktfläche 15 des Kolbens 1 ist so ausgebildet, dass sie mit der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13 zusammenwirkt. Fig. 3 zeigt schematisch einen Radialkolbenverdichter mit erfindungsgemäßen Kolben- Zylinderbohrung-Baugruppen. Die Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass die Übertragungselemente 8 zylinderabschnittsförmige konkave erste Stützflächen 9 aufweisen und die zweiten Stützflächen 12 der Übertragungselemente 8 zylinderabschnittsförmig ausgebildet sind und mit zylinderabschnittsförmigen ersten Wirkflächen 11 der Kolben 1 Zusammenwirken.
Die Zylinderbohrungen 2 sind in einem Zylindergehäuse 27 angeordnet. Die einzelnen Kolben 1 werden über eine einzige Antriebswelle 4 mit einem Exzenter 6 angetrieben. Um eine bessere Übersichtlichkeit zu erreichen wurden sämtliche Details, die ein vollständiger Radialkolbenverdichter aufweist, in Fig. 3 nicht dargestellt. So fehlen z.B. sämtliche Ventilanordnungen und Zustrom- und Abströmkanäle für das Kältemittel. Aufgrund der Kolben- Zylinderbohrung-Baugruppen baut der Radialkolbenverdichter gemäß Fig. 3 in radialer Richtung und auch in axialer Richtung klein, d.h. er beansprucht in beiden genannten Richtungen einen geringen Bauraum.
Die weiteren Zusammenhänge und Wirkungsweise sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Für weitere Detail kann insbesondere auf die DE 10 2020 211 680 Al verwiesen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolbenführungsring zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, elastisch, insbesondere in radialer Richtung elastisch, ausgestaltet ist.
Die Elastizität des Kolbenführungsrings kann über dessen Geometrie und/oder dessen E-Modul eingestellt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kolbenführungsring eine radiale Steifigkeit zwischen 100 N/mm und 1000 N/mm aufweist. Als Material für den Kolbenführungsring kommen beispielsweise hochfeste- und höherfeste Stähle in Frage.
Der Kolbenführungsring 13 weist in radialer Richtung eine Elastizität auf, vorzugsweise damit er zu allen Kontaktpunkten, die toleranzbedingt nicht auf einer Kreisbahn liegen, in Kontakt kommt - d.h. es ist eine gewünschte Deformierbarkeit des Kolbenführungsringes 13 angestrebt, mit dem Ziel: keine Kontaktlücke zu haben.
Zur Realisierung bzw. Bereitstellung eines elastischen Kolbenführungsrings 13 sind verschiedene Ausführungsformen denkbar, die nachfolgend beschrieben werden sollen. Die hier vorgestellten Ausführungsformen eines elastischen Kolbenführungsringes sind nicht abschließend. Es sind weitere, hier nicht dargestellte, Ausführungsformen denkbar. Nachfolgend wird auf die Fig. 5 bis 1 Id Bezug genommen.
In der Fig. 5 ist eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter mit zwei verschiedenen Ausführungsformen von elastischen Kolbenführungsring dargestellt. Der auf der rechten Seite dargestellte Kolbenführungsring 13 ist perspektivisch in der Fig. 5a dargestellt. Der Kolbenführungsring 13 umfasst im Wesentlichen einen Führungsring 131 und federelastische Elemente 132. Der Führungsring 131 als solches weist wenig Elastizität in radialer Richtung auf. Es ist in der Fig. 5 darüber hinaus erkennbar, dass sich die federelastischen Elemente 132 radial von der Innenseite des Führungsringes 131 erstrecken.
In den Fig. 5b bis 5e sind weitere Beispiele zur Ausgestaltung des Kolbenführungsringes 13, insbesondere der federelastischen Elemente 132, dargestellt. Die Ausrichtungen der federelastischen Elemente 132 kann radial, axial oder auch als Mischform von radialen und axialen Ausrichtungen, insbesondere schrägen Ausrichtungen sein. Beispielsweise ist in der Fig. 5c eine schräge Ausrichtung des federelastischen Elementes 132 dargestellt. In der Fig. 5b ist eine eher axiale Ausrichtung des federelastischen Elementes 132 dargestellt.
In den Fig. 5a, 5d und 5e ist ein Durchmesser D eingezeichnet. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die federelastischen Elemente 132 den Durchmesser D des Kolbenführungsringes 13 ausbilden, der für die Kolben 1 wirksam ist.
In Fig. 5b und Fig. 5c sind die Führungsringe gemäß Fig. 5 im Querschnitt in einem Ausschnitt dargestellt. Bezugszeichen B für Breite, H für Höhe, D für den an den Kolbenkontaktstellen wirksamen Durchmesser. Die relative Lage in montiertem Zustand verdeutlicht die eingezeichnete Rotationsachse 5 der Antriebswelle. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass sich der Führungsring 131 und die federelastischen Elemente 132 über den gesamten Umfang des Kolbenführungsringes 13 erstecken, wie in Fig. 5d, 5e angedeutet. Ein solcher Kolbenführungsring 13 ist leichter montierbar, da keine genaue Zuordnung der einzelnen federelastischen Elemente 132 zu den Kolbenkontaktpunkten erforderlich ist.
In der Fig. 6 ist eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter mit zwei verschiedenen Ausführungsformen von elastischen Kolbenführungsring 13 dargestellt. Der auf der rechten Seite dargestellte Kolbenführungsring 13 ist Auszugsweise im Querschnitt in der Fig. 6a dargestellt. Der auf der linken Seite dargestellte Kolbenführungsring 13 ist Auszugsweise im Querschnitt in der Fig. 6b dargestellt. Die hier dargestellten Kolbenführungsringe 13 sind geometriebedingt federelastisch, insbesondere durch eine Querschnittform, die breiter als hoch ausgestaltet ist. Mit anderen Worten, die Ausdehnung des Kolbenführungsrings 13 im montierten Zustand ist in axialer Richtung größer als in radialer Richtung. Die Breite des Kolbenführungsringes 13 ist mit dem Bezugszeichen B und die Höhe mit dem Bezugszeichen H gekennzeichnet.
In der Fig. 6c und d sind die Kolbenführungsring 13 gemäß Figur 6 in einem entspannten Zustand dargestellt. Die Kolbenführungsringe 13 weisen einen Innendurchmesser D auf. Fig. 6 c und Fig. 6d zeigen die Führungsringe 13 im Querschnitt, wobei hier auch die Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4 die Position in Montage verdeutlichen soll.
In der Fig. 6e ist beispielhaft der Kolbenführungsring 13 gemäß Fig. 6c in einem Zustand während der Montage dargestellt. Der Kolbenführungsring 13 weist einen zweiten Innendurchmesser D' auf. Es ist erkennbar, dass der zweite Innendurchmesser D' in einem Zustand während der Montage größer ist, als in einem entspannten Zustand (D, Fig. 6c). In dem vorgenannten Zustand wird der Kolbenführungsring 13 insbesondere über Kolbenkontaktflächen 15 aufgefädelt. Es handelt sich hier insbesondere um einen Zustand bei dem der Kolbenführungsring 13 maximal elastisch vorgespannt sein soll.
In der Fig. 6f ist der Kolbenführungsring 13 in einem montierten Zustand auf die Kolben dargestellt. Der Kolbenführungsring 13 weist einen dritten Innendurchmesser D" auf. Es ist erkennbar, dass der dritte Innendurchmesser D" in einem montierten Zustand kleiner als in einem Zustand während der Montage ist (D', Fig. 9b). Andererseits ist der dritte Durchmesser D" in einem montierten Zustand größer als in einem entspannten Zustand (D, Fig. 9a).
Im montierten Zustand ist der Kolbenführungsring 13 somit elastisch vorgespannt, damit er zu allen Kontaktpunkten (die toleranzbedingt nicht auf einer Kreisbahn liegen) in Kontakt kommt, so dass sich keine Kontaktlücke an Kontaktpunkten der Kolben 1 ausbilden kann. Vorzugsweise wird der Durchmesser D des Kolbenführungsrings 13 immer kleiner sein, als der kleinste Durchmesser, gelegt durch 3 Kontaktpunkte der Kolben.
Die Vorspannung sollte jedoch möglichst klein sein, da eine große Vorspannung die Reibung erhöht, was nicht erwünscht ist. Die Auslegung der Vorspannung darf auch die Materialgrenzen (bzgl. Hertzscher Pressung und Biegewechselfestigkeit) sowohl für den Kolbenführungsring 13 als auch für den Kolbenkontakt 15 bei dauerhafter Beanspruchung nicht überschreiten.
Die Montage und die dabei eingestellten Durchmesser D, D‘, D“ sind hier beispielhaft an dem Kolbenführungsring 13 mit rechteckigem Querschnitt (Fig.6a, 6c) beschrieben und gezeigt. Diese Ausführungen gelten ebenfalls für die in den Figuren 6b, d und den Figuren 5, 5a, 5b-5e gezeigten Ausgestaltungen des Kolbenführungsringes 13.
In den Fig. 7a bis 7d sind lediglich elastische Kolbenführungsringe 13 in verschiedenen Zuständen und Ansichten dargestellt. Der hier dargestellte Kolbenführungsring 13 weist zwei Windungen bzw. nahezu zwei Windungen auf. Die Windungen sind übereinander angeordnet. Die Stoßenden der Windungen stehen sich mit einem Abstand A zueinander auf unterschiedlichen Ebenen gegenüber. Der Kolbenführungsring 13 als solches weist einen Innendurchmesser D auf. Mit dem Bezugszeichen B ist die Materialbreite des Kolbenführungsrings 13 gekennzeichnet. In den Fig. 7a und 7b ist der Kolbenführungsring 13 in einem entspannten Zustand dargestellt. Entsprechend betreffen die vorgenannten Bezugszeichen D, A, B die jeweiligen Größen im entspannten Zustand. Zur besseren Unterscheidung soll hier von einem ersten Innendurchmesser D und einem ersten Abstand A gesprochen werden.
In der Fig. 7c ist der Kolbenführungsring 13 in einem maximal elastisch vorgespannten Zustand dargestellt. Die hierzu verwendeten Bezugszeichen lauten entsprechend D'und A'. Zur besseren Unterscheidung soll hier von einem zweiten Innendurchmesser D' und einem zweiten Abstand A' gesprochen werden. Es ist erkennbar, dass der zweite Abstand A' zwischen den Stoßenden und der zweite Innendurchmesser D' in einem Zustand während der Montage größer ist, als in einem entspannten Zustand (A, D, Fig. 7a, 7b).
In der Fig. 7d ist der Kolbenführungsring 13 in einem im Betrieb elastisch vorgespannten Zustand dargestellt. Die hierzu verwendeten Bezugszeichen lauten entsprechend D" und A". Zur besseren Unterscheidung soll hier von einem dritten Innendurchmesser D" und einem dritten Abstand A" gesprochen werden. Es ist erkennbar, dass der dritte Abstand A" zwischen den Stoßenden und der dritte Innendurchmesser D" in einem montierten Zustand kleiner als in einem Zustand während der Montage ist (A', D', Fig. 7c). Andererseits ist der dritte Abstand A" und der dritte Durchmesser D" in einem montierten Zustand größer als in einem entspannten Zustand (A, D, Fig. 7a, 7b). In der Fig. 8 ist eine Ausführungsform eines elastischen Kolbenführungsringes 13 in einer Draufsicht dargestellt. Hier ist vorgesehen bzw. erkennbar, dass der Kolbenführungsring 13 als geschlossener Ring ausgestaltet ist. Im Gegensatz hierzu sind einige der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen von Kolbenführungsringen 13 als nicht geschlossene Ringe ausgestaltet, weisen also eine Unterbrechung bez. Spalt auf.
Der Kolbenführungsring 13 ist mit einem Mittel 133 zur Fixierung an einem der Kolben ausgestattet. Entsprechend ist kein Umlauf-Wandern möglich, da der Kolbenführungsring an einem Kolben fixiert wird.
In der Fig. 9 sind mehrere Kolben 1 eines erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichters mit einem elastischen Kolbenführungsring 13 in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. In den Fig. 9a bis 9c ist der Kolbenführungsring 13 aus der Fig. 9 in verschiedenen Zuständen dargestellt, auf die nachfolgend eingegangen werden soll.
Es handelt sich bei dem Kolbenführungsring 13 um einen nicht geschlossenen Kolbenführungsring. Mit anderen Worten, der Kolbenführungsring 13 ist nicht geschlossen, sondern es existiert ein Spalt bei dem sich zwei Stoßenden des Kolbenführungsrings gegenüberstehen. Die Stoßenden weisen einen Abstand A und der Kolbenführungsring einen Innendurchmesser D bzw. wie später noch erläutert einen Innendurchmesser D' und D" bzw. Abstand A' und A" auf. Zur besseren Unterscheidung soll hier von einem ersten Innendurchmesser D, einem zweiten Innendurchmesser D' und einem dritten Innendurchmesser D", sowie einem ersten Abstand A, einem zweiten Abstand A' und einem dritten Abstand A" gesprochen werden.
In der Fig. 9a ist der Kolbenführungsring 13 in einem entspannten Zustand dargestellt. Der Abstand zwischen den Stoßenden ist mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet. Der Kolbenführungsring weist einen Innendurchmesser D auf.
In der Fig. 9b ist der Kolbenführungsring 13 in einem Zustand während der Montage dargestellt. Der Abstand zwischen den Stoßenden ist mit dem Bezugszeichen A' gekennzeichnet. Der Kolbenführungsring weist einen zweiten Innendurchmesser D' auf. Es ist erkennbar, dass der zweite Abstand A' zwischen den Stoßenden und der zweite Innendurchmesser D' in einem Zustand während der Montage größer ist, als in einem entspannten Zustand (A, D, Fig. 9a). In dem vorgenannten Zustand wird der Kolbenführungsring 13 insbesondere über Kolbenkontaktflächen 15 aufgefädelt. Es handelt sich hier insbesondere um einen Zustand bei dem der Kolbenführungsring 13 maximal elastisch vorgespannt sein soll.
In der Fig. 9c ist der Kolbenführungsring 13 in einem montierten Zustand auf den Kolben dargestellt. Der Abstand zwischen den Stoßenden ist mit dem Bezugszeichen A" gekennzeichnet. Der Kolbenführungsring 13 weist einen Innendurchmesser dritten D" auf. Es ist erkennbar, dass der dritte Abstand A" zwischen den Stoßenden und der dritte Innendurchmesser D" in einem montierten Zustand kleiner als in einem Zustand während der Montage ist (A', D', Fig. 9b). Andererseits ist der dritte Abstand A" und der dritte Durchmesser D" in einem montierten Zustand größer als in einem entspannten Zustand (A, D, Fig. 9a). In dem montierten Zustand ist der Kolbenführungsring elastisch vorgespannt.
Zusammengefasst lassen sich hier zwei Verfahren zur Montage eines Kolbenführungsrings in einem Radialkolbenverdichter beschreiben, für einen nicht geschlossenen Kolbenführungsring 13 gekennzeichnet durch nachfolgende Verfahrensschritte:
- der Kolbenführungsring 13 befindet sich in einem entspannten Zustand, der Kolbenführungsring 13 weist einen ersten Innendurchmesser D und einen ersten Abstand A der Stoßenden auf;
- der Kolbenführungsring 13 wird in einen Montagezustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen zweiten Innendurchmesser D' vergrößert, der Abstand der Stoßenden wird auf einen zweiten Abstand A' vergrößert;
- der Kolbenführungsring 13 wird, insbesondere mit seiner Innenmantelfläche 14, auf die Kolben 1, insbesondere die Kolbenkontaktflächen 15, aufgebracht;
- der Kolbenführungsring 13 wird in einen montierten Zustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen dritten Innendurchmesser D" verkleinert, der Abstand der Stoßenden wird auf einen dritten Abstand A” verkleinert;
- der Kolbenführungsring 13, insbesondere die Innenmantelfläche 14, ist mit den Kolben 1, insbesondere mit den Kontaktflächen 15 der Kolben 1, in Eingriff, insbesondere formschlüssigen Eingriff, gebracht.
Ferner für einen geschlossenen Kolbenführungsring 13: der Kolbenführungsring 13 befindet sich in einem entspannten Zustand, der Kolbenführungsring 13 weist einen ersten Innendurchmesser D auf; - der Kolbenführungsring 13 wird in einen Montagezustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen zweiten Innendurchmesser D' vergrößert;
- der Kolbenführungsring 13 wird, insbesondere mit seiner Innenmantelfläche 14, auf die Kolben 1, insbesondere die Kolbenkontaktflächen 15, aufgebracht;
- der Kolbenführungsring 13 wird in einen montierten Zustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen dritten Innendurchmesser D" verkleinert;
- der Kolbenführungsring 13, insbesondere die Innenmantelfläche 14, ist mit den Kolben 1, insbesondere mit den Kontaktflächen 15 der Kolben 1, in Eingriff, insbesondere formschlüssigen Eingriff, gebracht.
In der Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform eines elastischen Kolbenführungsrings 13 für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen geschlossenen Kolbenführungsring. Der hier dargestellte Kolbenführungsring 13 besteht aus bzw. umfasst ein gewundenes Material, wie beispielsweise eine endlose Feder.
In der Fig. 11 ist eine Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe für einen erfindungsgemäßen Radialkolbenverdichter mit elastischen Kolbenführungsringen 13 in einer weiteren Ausführungsformen dargestellt. Bei den hier schematisch dargestellten Kolbenführungsringen 13 handelt es sich insbesondere um Kolbenführungsringe, die mit einem Material, insbesondere einem Kunststoff umgeben oder zumindest teilweise umgeben sind. Der Kolbenführungsring als solches kann als geschlossener oder nicht geschlossener Ring ausgestaltet sein.
In den Fig. 11a bis lld sind entsprechend Detaildarstellungen von Kolbenführungsringen 13 dargestellt. Die Kolbenführungsringe 13 der Fig. 11a und 11b stellen einen elastischen Kolbenführungsring aus einem gewundenem Material dar, welches zumindest teilweise von einem Material, insbesondere Kunststoff K, umgeben ist.
Die Kolbenführungsringe 13 der Fig. 11c und lld stellen einen elastischen Kolbenführungsring 13 aus einem Material mit einem V-förmigem Querschnitt dar, welches zumindest teilweise von einem Material, insbesondere Kunststoff K, umgeben ist.
Es ist aus den oben skizzierten Ausführungsbeispielen ersichtlich, dass der Durchmesser D, sprich der wirksame Durchmesser des Kolbenführungsrings, immer kleiner sein sollte als der kleinste Außendurchmesser, gelegt durch beispielsweise drei Kontaktpunkte der Kolben, d.h. der Ring ist dann mit einer Vorspannung verbaut. Die Größe der Vorspannung soll aber möglichst klein sein, da eine hohe Vorspannung die Reibung erhöht, was nicht erwünscht ist. Die Auslegung der Vorspannung für den Kolbenführungsring sollte auch die Materialgrenzen (insbesondere bzgl. Hertzscher Pressung und Biegewechselfestigkeit) sowohl für den Kolbenführungsring als auch für den Kolbenkontakt bei dauerhafter Beanspruchung nicht überschreiten.
Zusammengefasst sollten folgende Vorgaben vorzugsweise berücksichtigt werden. Eine erforderliche Steifigkeit des Kolbenführungsrings sollte gegeben sein, damit jeder Kolben mit seinem Kolbenfuß im Kontakt zum Exzenter ist und somit die Hubkurve des Kolbens der Hubkurve aus dem Exzenter folgt. Hieraus erfolgt insbesondere ein thermodynamischer Vorteil. Eine erforderliche Nachgiebigkeit, insbesondere Deformationsvermögen des Kolbenführungsrings sollte gegeben sein, um den Toleranzausgleich der Kontaktpunkte in radialer Richtung benachbarter Kolben gewährleisten zu können. Ein erforderliches Übermaß des Durchmessers des Kolbenführungsrings zum Durchmesser der Kontaktpunkte sollte gegeben sein. Ferner sollte eine erforderliche Bauteilfestigkeit bzgl. Pressung im Kontakt und Biegewechselfestigkeit gegeben sein.

Claims

Ansprüche
1. Radialkolbenverdichter, umfassend
- eine Verdichtereinheit (V) und eine Antriebseinrichtung (M) zum Antrieb der Verdichtereinheit (V), wobei
- die Verdichtereinheit (V) mindestens zwei Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen (1, 2), vorzugsweise eine Mehrzahl von Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppen (1, 2), umfasst, die radial um eine Exzenterwelle (4) angeordnet sind, wobei
- die Exzenterwelle (4) von der Antriebseinrichtung (M) angetrieben wird, wobei
- jede Kolben-Zylinderbohrung-Baugruppe einen Kolben (1) umfasst, wobei
- der Radialkolbenverdichter, insbesondere die Verdichtereinheit (V), einen Kolbenführungsring (13) umfasst, wobei
- die Kolben (1) in Kontakt, insbesondere in formschlüssigem Eingriff, mit dem Kolbenführungsring (13) sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, elastisch, insbesondere in radialer Richtung elastisch, ausgestaltet ist.
2. Radialkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität des Kolbenführungsrings über dessen Geometrie und/oder dessen E-Modul eingestellt wird.
3. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring eine radiale Steifigkeit zwischen 100 N/mm und 1000 N/mm aufweist.
4. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den Kolbenführungsring hochfeste- und höherfeste Stähle verwendet werden.
5. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) eine Innenmantelfläche (14) umfasst.
6. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (1) jeweils eine Kolbenkontaktfläche (15) zum Eingriff des Kolbenführungsringes (13) umfassen. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) einen Führungsring (131) und federelastische Elemente (132) umfasst. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die federelastischen Elemente (132) radial, axial und/oder schräg von der Innenseite des Führungsringes (131) erstrecken. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) breiter (B) als hoch (H) ausgestaltet ist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehung des Kolbenführungsrings (13) im montierten Zustand in axialer Richtung größer als in radialer Richtung ausgestaltet ist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) zwei Windungen oder nahezu zwei Windungen aufweist, wobei die Enden der Windungen sich mit einem Abstand (A, A', A") zueinander auf unterschiedlichen Ebenen gegenüberstehen, wobei der Kolbenführungsring als solches einen Innendurchmesser (D, D', D") aufweist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) mit einem Mittel (133) zur Fixierung an einem der Kolben (1) ausgestattet ist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) aus einem gewundenen Material besteht bzw. ein gewundenes Material umfasst. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) mit einem Material, insbesondere einem Kunststoff (K), umgeben oder zumindest teilweise umgeben ist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) einen V-förmigen Querschnitt aufweist. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) als nicht geschlossener Ring ausgestaltet ist, wobei der Kolbenführungsring einen Spalt aufweist in dem sich Stoßenden des nicht geschlossenen Ringes gegenüberstehen, wobei der Kolbenführungsring einen Innendurchmesser (D, D', D") und die Stoßenden einen Abstand (A, A', A") aufweisen. Radialkolbenverdichter nach mindestens einem der Ansprüche Ibis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring (13) als geschlossener Ring ausgestaltet ist. Verfahren zur Montage eines Kolbenführungsrings in einem Radialkolbenverdichter gemäß Anspruch 16, gekennzeichnet durch nachfolgende Verfahrensschritte:
- der Kolbenführungsring (13) befindet sich in einem entspannten Zustand, der Kolbenführungsring (13) weist einen ersten Innendurchmesser (D) und einen ersten Abstand (A) der Stoßenden auf;
- der Kolbenführungsring (13) wird in einen Montagezustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen zweiten Innendurchmesser (D') vergrößert, der Abstand der Stoßenden wird auf einen zweiten Abstand (A') vergrößert;
- der Kolbenführungsring (13) wird, insbesondere mit seiner Innenmantelfläche (14), auf die Kolben (1), insbesondere die Kolbenkontaktflächen (15), aufgebracht;
- der Kolbenführungsring (13) wird in einen montierten Zustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen dritten Innendurchmesser (D") verkleinert, der Abstand der Stoßenden wird auf einen dritten Abstand (A”) verkleinert;
- der Kolbenführungsring (13), insbesondere die Innenmantelfläche (14), ist mit den Kolben (1), insbesondere mit den Kontaktflächen (15) der Kolben (1), in Eingriff, insbesondere formschlüssigen Eingriff, gebracht. Verfahren zur Montage eines Kolbenführungsrings in einem Radialkolbenverdichter gemäß Anspruch 17, gekennzeichnet durch nachfolgende Verfahrensschritte:
- der Kolbenführungsring (13) befindet sich in einem entspannten Zustand, der Kolbenführungsring (13) weist einen ersten Innendurchmesser (D) auf;
- der Kolbenführungsring (13) wird in einen Montagezustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen zweiten Innendurchmesser (D') vergrößert;
- der Kolbenführungsring (13) wird, insbesondere mit seiner Innenmantelfläche (14), auf die Kolben (1), insbesondere die Kolbenkontaktflächen (15), aufgebracht;
- der Kolbenführungsring (13) wird in einen montierten Zustand überführt, der Innendurchmesser wird auf einen dritten Innendurchmesser (D") verkleinert; - der Kolbenführungsring (13), insbesondere die Innenmantelfläche (14), ist mit den Kolben (1), insbesondere mit den Kontaktflächen (15) der Kolben (1), in Eingriff, insbesondere formschlüssigen Eingriff, gebracht.
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