JP5896996B2 - 特殊な冷却空気案内部を備えた空冷式のピストン型コンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、車両、特に商用車において使用する空冷式のピストン型コンプレッサであって、複数のシリンダを有し、モータにより駆動される圧縮機を備え、またモータはその隣に、特にシリンダを冷却するための冷却空気流を形成するためのファンを有している、空冷式のピストン型コンプレッサに関する。

本発明は、とりわけ高い作動圧であっても単段形で仕事する複数のシリンダを有するオイルフリー式のピストン型コンプレッサに使用され、シリンダの冷却は、冷却空気流を介して実施される。

商用車、特に、電気又はハイブリッド車両として構成されているバスにおいて、最近ではますますコンプレッサの構想がテストされている。コンプレッサ構想においてコンプレッサは、例えばジェネレータ及びコンバータによって給電され、かつ冷却水が提供されず、通常高い周辺温度にさらされている車両の個所に組み込まれる電気モータによって駆動される。このような車両において、コンプレッサにより形成された圧縮空気は、特に車両ブレーキの運転のために利用される。

特に電気及びハイブリッド車両における使用のために、オイルフリー式に圧縮する上記形式のコンプレッサが必要となる。オイルフリー式に圧縮するコンプレッサは、極めて小さな構成スペースにおいて少ない手間で極端な周辺温度において確実に仕事し、少ないメインテナンスの手間で高い空気需要をまかなう。オイルフリー式の圧縮機の構想において、従来の思想における圧縮機ハウジングのオイル充填はもはやない。ピストン行程進路に沿った潤滑は、低摩擦性のピストンコーンティングにより代替される。回転する部分は、耐熱性で長寿命の潤滑充填剤でもって転がり支承される。さらに弁において案内される、摩擦熱を発生させることがある部材は回避される。

これに対してかつては商用車において、オイル潤滑されたピストン型コンプレッサが、圧縮空気形成のために使用されていた。このピストン型コンプレッサは、たいてい車両の内燃機関に直接的にフランジ止めされていて、通常歯車を介して駆動される。この構成において冷却は、内燃機関から分れる冷却水を介して行われる。

例えば、商用車に取り付けられるニューマチック式の装置への供給用の他の消費器のために、むしろ空冷式のピストン型コンプレッサが使用される。特に空冷式のピストン型コンプレッサには、上記使用事例において一般的にはアキシアルファン（軸流ファン）が装備される。このアキシアルファンは、一方でピストン型コンプレッサのクランク軸に取り付けられていて、かつこのクランク軸によって駆動される。上記ピストン型コンプレッサは通常、アキシアルファンの冷却空気を可能な限り全てのシリンダに亘って均等に案内することができるように、Ｗ形、Ｖ形又は星形（放射形）配列において構成されている。これに対してシリンダが、例えば直列配置において他のシリンダによって、冷却流方向において遮られると、過熱のおそれがある。過熱を回避するために、上記空冷式のピストン型コンプレッサが、８ｂａｒを超える運転圧において、構成部材温度を低く保つために２段形又は多段形に構成され、これにより構成部材温度を低く保つことができる。このような多段形の圧縮機の構想は、一般的な先行技術においては頻繁に、レール使用車両構造におけるブレーキ空気コンプレッサにおいて使用されてきた。幾つかの構成形式では、遮られたシリンダを良好に冷却するために、遮られたシリンダの可能な限り近くを冷却空気が流れるようにする単純な空気案内金属薄板を用いる。

実際、単段形のオイルフリー式のピストン型コンプレッサは、１０ｂａｒを超える圧力に対して、特に空冷式の構成において採用することはできなかった。その理由は、極めて小さな構成スペースにおいて高回転数及び高い出力密度からもたらされる高い構成部材温度に基づき、構成部材に必要とされる寿命を達成することができなかったからである。クランク軸の端部にアキシアルファンを備え、直列構造で空冷式の単段のオイルフリー式のピストン型コンプレッサにおいては、他のシリンダの空気のかげ（Luftschatten）にあるシリンダにおいて、この遮られているシリンダは、空気案内薄板を使用していても過熱状態に陥り、ピストンリング及び上記シリンダのコネクティングロッド支承体における支承潤滑油は急速に消耗する、という問題がある。しかし特に商用車において冷却水が提供されない個所では、空冷式のコンプレッサだけを使用することができる。転がり軸受及びシリンダの冷却は極めて困難である。構成スペースが限られているため、付加的なファン及び冷却空気案内部を用いることはできない。軸受の温度を低下させるために、これまでオイルフリー式の圧縮機の構想が公知になっている。この圧縮機の構想において吸い込んだ空気は、クランクハウジングを通って案内される。このことは吸込み空気の加熱をもたらし、これにより圧縮の最終温度は上昇する。これによりまた、圧縮機の温度レベル全体が上昇する。したがってこの構想は全体として単段形の圧縮機には適してない。

ドイツ連邦共和国特許第１０１３８０７０号において、オイルフリー式の２段形の圧縮機のクランクハウジングにおける温度を低下させるための技術的手段が開示されている。この明細書において、ピストン運動によりもたらされる体積の変化を、冷却空気流の形成のために使用する。冷却空気は、優先的にシリンダのジャケット冷却のために、またクランクハウジングの通気のためにも使用される。しかしこの構成の欠点は、通気部がコンプレッサ内に完全に組み込まれておらず、側方の冷却空気案内部及び冷却空気を浄化する付加的なフィルタシステムが必要である、という点にある。さらに不純物及び水がクランクハウジングに集まることになる。したがってこの手段は、単段形の圧縮機には適していない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４２９４４号明細書において、冷却空気をコンプレッサの吸込み空気から分岐するクランクハウジング通風部を備えたピストン型コンプレッサが開示されている。この手段の欠点は、冷却空気がシリンダヘッドにおいて既に加熱され、ひいては圧縮機の効率及び熱特性が悪くなる、ということである。確かに、クランクハウジングの側方の温度の問題は解決されるが、シリンダ領域における温度問題が残ったままである。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０４０４９５号明細書は、オイルフリー式の多シリンダ型コンプレッサのクランクハウジング冷却のための他の技術を開示している。この構成において、冷却空気体積流は、クランクハウジングにより形成され、とりわけクランクハウジングを、各シリンダがその独自のクランクハウジング室を有するように分離することにより形成される。この構成における特別な困難性は、クランク駆動装置の組付けであり、クランク軸の中間支承部がクランクハウジングの内部にあることがその理由である。したがって技術的な手段は、製造技術に関してまさに手間がかかることがわかった。

したがって本発明の目的は、高圧時であっても確実に空冷式で働く、簡単に組立て可能な多シリンダ式で単段形のコンパクトな空冷式のピストン型コンプレッサを提供することである。この構成において、全てのシリンダにおいて均等なシリンダ壁温度及びクランクハウジング温度が発生することが望ましい。

上記目的は請求項１の上位概念部に記載の空冷式のピストン型コンプレッサに基づいて、請求項１に記載の特徴部との関係において達成される。以下の従属請求項は、本発明の有利な改良形を表す。

本発明は、モータと圧縮機との間における結合軸に、冷却空気を周囲から吸い込み、後続の冷却空気通路に圧送するファンが取り付けられている、という技術的な教示を含む。シリンダを少なくとも部分的に取り囲む冷却空気通路が、コンプレッサの直列に配置されている全てのシリンダを、冷却空気が均等に周流するように形成されている。

本発明に係る手段の利点は、特に、ピストン及びピストンリング摩耗並びに全てのシリンダにおける支承体個所における潤滑剤の消耗が一様に少なくなる、という点に表れている。さらに本発明に係る空冷式のピストン型コンプレッサは、メインテナンスの手間をかけずに長い持続時間を得て、その結果、それどころか交換なく車両のオーバホール間隔又は車両寿命が達成される。この構成において、本発明に係るピストン型コンプレッサの圧縮機は、オイルフリー式に構成することができ、この点において好ましくは油を含まない圧縮空気を形成する。これにより、これまで商用車構造において通常発生していたブレーキ系における油汚染及びコークス化の問題は解消される。さらに圧縮機のオイルフリー式の構成により、凝縮液処理及び乳化の問題は解消される。特に、本発明に係る空冷式のピストン型コンプレッサは、十分に高い出力密度による高い回転数を特徴とするので、商用車において使用可能である。

圧縮機のシリンダの周流は、主として、冷却空気通路を通じて案内されて２つの側面から、そしてコンプレッサの回転方向に対して垂直に行うことが望ましい。これにより冷却空気流を、冷却したい個所において均等に与えることができ、冷却したい構成部材の数に合わせて分配することができる。

本発明の他の観点によれば、冷却空気通路の横断面を流れ方向に沿って、均等な冷却空気流を形成するために一定に構成するのではなく、適切に種々異なった横断面を選択するようになっている。したがって、ファンの最も近くにあるシリンダは、横断面の絞りにより減じられた冷却空気供給を行うことが望まれるので、ファンからさらに離間して配置されている他のシリンダは、上記近くに設けられているシリンダとほぼ同じ冷却空気を獲得する。この利点は、冷却空気を形成する構成部材の適切な寸法設定によってのみ実現することができる。好ましくは、上記冷却空気通路は２つの部分から成るプラスチックハウジングにより形成されることが望ましい。このプラスチックハウジングの両半部は、単純な分離部を備えた型において、好ましくは射出成形により簡単に製造することができる。

本発明を改良する別の手段によれば、冷却空気通路は、冷却空気を流れ方向においてシリンダの下流で再度まとめるので、冷却空気は共通の排気通路を介して適切にシリンダの高温の区域から外部に向かって導出することができるようになっている。これにより消費される、つまり加熱される冷却空気は、圧縮機ユニットの種々異なる個所において外部に流出しないので、消費された冷却空気は、適切に外部に向かって導出することができ、必要な場合にはさらなるチューブ延長部を介して導出することができる。

好ましくは、モータと圧縮機との間に配置されているファンは、ラジアルファンの形式に基づいて構成されていることが望ましい。このようなラジアルファンを、特に省スペース型で上記構成部材の間に、空冷式のピストン型コンプレッサ全体の外側の幾何学的な寸法が不釣り合いに大きくなることなく、配置することができる。

上記ラジアルファンは、さらに別の有利な構成による吸い込まれた冷却空気を、まずコンプレッサの回転軸線から半径方向に噴出するようにすることが望ましい。これにより冷却空気流の変向は、冷却空気通路によりまずコンプレッサ軸線の軸線方向でもたらされるようになっていて、その結果、続いて再び半径方向においてコンプレッサ軸線から離れるようにして複数のシリンダを超えて送り出される。この特別な冷却空気流案内でもって、省スペース型で十分な冷却作用を形成することができる。

さらにコンパクトな構造形式を達成するという観点において、冷却空気は、圧縮機の駆動側の軸端部又はモータの被動側の軸端部の領域に配置されているフランジの、周面に分配されている開口を介して吸い込まれるようになっており、これにより開口からラジアルファンによって冷却空気通路内に押し込まれるようになる。このフランジ領域を使用することにより、開口の形成のための付加的な構成スペースはラジアルファンには必要でない。特に上記手段により、空冷式のピストン型コンプレッサのさらなる軸線方向の拡大は回避される。

本発明を改良する付加的な手段によれば、ろ過された空気は、シリンダヘッドとクランクハウジングとの間の接続管路に達するようになっている。この構成において、接続管路において圧縮のために一部分はシリンダヘッドに向かって流れ、他の部分は、クランクハウジングに存在する支承個所の内側の冷却のためにクランクハウジングに達する。クランクハウジングの内側の作用個所に達する前に冷却空気を不都合に予め加熱しないために、冷却空気は、シリンダから分かれて配置されている通路においてクランクハウジングへと案内されるようになる。これにより好ましくは、空気がまだ冷たい個所において、周囲からろ過されて吸い込まれた空気は分配されて、一方では圧縮のためにシリンダ内に案内され、他方ではクランクハウジングを通じて案内される。この構成において、クランクハウジングを通流する冷却空気は、内部冷却の特に高い効率を達成するために、ハウジング内部において、好ましくは均等にチャンバ、及び冷却される構成部材に向かって分配されることが望ましい。

好ましくは、吸い込まれろ過された空気は、シリンダから放出される熱による加熱前に管分岐部により分配され、管分岐部は一方で、圧縮のためにシリンダヘッドに通じ、他方で、冷却のためにクランクに通じる。この構成において続いて冷却空気は、チャンバ及びクランクハウジングの内側における冷却したい構成部材に向かって均等に分配することもできる。

本発明を改良するさらに別の観点に応じて、冷却空気通路を防音ハウジングとして構成するようになっている。これにより、冷却空気流による騒音を回避することができる。つまりこの手段により騒音対策手段は、冷却空気通路自体の製作時に既に施される。

またこれに対して択一的には、冷却空気通路を、圧縮機の存在する幾何学的な寸法への可能な限りコンパクトな構造上の適合を考慮して構成することも可能である。この構成において、場合によっては他の防音手段を、例えば防音材を組み込むことにより施すことができる。防音材は、この構成において、クランクハウジングの他の騒音を発する構成要素、特にシリンダヘッド及びクランクハウジングを覆うこともできる。

空冷式のピストン型コンプレッサの斜視図である。 部分的に断面にして示す圧縮機を備えた空冷式のピストン型コンプレッサを、下から見た図である。 同様に部分的に断面にして示す圧縮機を備えた、図１に示したピストン型コンプレッサを側方から見た図である。

本発明を改良する他の手段を、従属請求項に記載するか、又は以下に、図面に基づく本発明の有利な実施の形態の記載と一緒に詳細に説明する。

図１によれば、周囲から空気フィルタ１３を介して吸い込まれかつろ過された空気が、吸気管路１４を経て、この吸気管路１４から分岐している、圧縮機２のシリンダヘッド１１とクランクハウジング１２との間の接続管路１０に達する。したがって空気の一部分は、圧縮のためにシリンダヘッド１１に向かって通流し、空気の残りの部分は、内部に位置する支承個所を冷却するためにクランクハウジング１２内に通流する。したがって外部から吸い込まれた空気は、圧縮機２から放出される熱による加熱前に分配される。加熱され、ひいては消費される冷却空気は、冷却空気出口１５を介して冷却通路を離れる。

電気モータ３と圧縮機２との間で軸線方向にファン４が組み込まれている。このファン４は、ラジアルファンの形式に基づいて形成されている。圧縮機２も電気モータ３も、セルフセンタリング式のフランジ構造において構成されていて、圧縮機２と電気モータ３との間に位置するファン４を介して互いにねじ止めされる。空気進入は半径方向の開口８を介して行われる。

図２によれば、空冷式のピストン型コンプレッサは、内部に２つのシリンダ１ａ，１ｂを有する。これらのシリンダ１ａ，１ｂは、図２では下方から見て示してある。両シリンダ１ａ，１ｂは、単段形のオイルフリー式の圧縮機２の構成部材である。圧縮機２は、電気モータ３により駆動される。

ファン４は、モータ３によって駆動され、圧縮機２に向かって貫通案内されている共通の結合軸５に配置されている。この結合軸５上でファン４はモータ回転数でもって回転し、これにより冷却空気が周囲から吸い込まれ、この冷却空気はファン４に後置されている冷却空気通路６内に圧送される。シリンダ１ａ，１ｂを他の延在部において完全に取り囲む冷却空気通路６は、圧縮機２の直列に配置されている２つのシリンダ１ａ，１ｂが、上述のように冷却空気によって一様に周流されるように形成されている。

冷却空気通路６は、消費された冷却空気を、流れ方向で２つのシリンダ１ａ，１ｂの下流でまとめて共通の排気通路へ導く。この排気通路から消費された冷却空気はまとめて外部に案内される。したがってこの実施の形態において、冷却空気案内は、ファン４が冷却空気をまず圧縮機２の回転軸線から半径方向に吹き飛ばし、その後、冷却空気流の変向が、冷却空気通路６によりまずコンプレッサ軸線の軸線方向に行われ、次いで冷却空気が再び、コンプレッサ軸線から半径方向にシリンダ１ａ，１ｂを超えて吹き飛ばされるように制御されている。

空冷式のピストン型コンプレッサは、モータ３のフランジ９の、周面に亘って分配された開口８を有する。これらの開口８から冷却空気がファン４にコンパクトに進入する。

圧縮機２の付加的な内部冷却のために、吸い込まれた空気の一部分を圧縮のためにシリンダ１ａ，１ｂ内へ案内しつつ、他の部分を内部冷却のために分岐する接続管路１０が設けられている。

圧縮したいろ過された空気は、接続管路１０を介して、図３に示したシリンダヘッド１１の領域に達する。このシリンダヘッド１１は２つのシリンダ１ａ，１ｂに覆い被さり、かつ流入弁及び流出弁（図示せず）を内蔵する。ろ過された空気の他の部分は、内部冷却のために圧縮機２のクランクハウジング１２を貫流する。この実施の形態において、特に内部の支承個所に冷却空気が供給される。

明らかであるように、冷却空気通路６の一部分は、直列に配置された２つのシリンダ１ａ，１ｂを冷却空気が所望に均等に周流することを保証するために外部から２つのシリンダ１ａ，１ｂを取り囲む。

１ シリンダ
２ 圧縮機
３ モータ
４ ファン
５ 結合軸
６ 冷却空気通路
７ 排気通路
８ 開口
９ フランジ
１０ 接続管路
１１ シリンダヘッド
１２ クランクハウジング
１３ 空気フィルタ
１４ 吸気管路
１５ 冷却空気出口

Claims (13)

1. モータ（３）により駆動されていて、冷却空気流を形成するファン（４）と、複数のシリンダ（１ａ，１ｂ）とを有する圧縮機（２）を備えた、車両用の空冷式のピストン型コンプレッサであって、
   前記ファン（４）は、前記モータ（３）と前記圧縮機（２）との間において結合軸（５）上に配置されていて、かつ冷却空気を周囲から吸い込み、該吸い込んだ冷却空気を後続の冷却空気通路（６）に圧送し、
   前記シリンダ（１ａ，１ｂ）を少なくとも部分的に取り囲む前記冷却空気通路（６）は、前記圧縮機の直列に配置されている全てのシリンダ（１ａ，１ｂ）が、均等に冷却空気によって周流可能であるように形成されており、
   前記ファン（４）の近傍にあるシリンダ（１ｂ）が、横断面の絞りにより冷却空気供給の減少を受けるように、前記冷却空気通路（６）の横断面は形成されているので、前記ファン（４）からさらに離されている少なくとも１つの他のシリンダ（１ａ）は、前記近傍にあるシリンダ（１ｂ）とほぼ同じ冷却空気を得ることを特徴とする、空冷式のピストン型コンプレッサ。
2. 前記冷却空気通路（６）は、前記シリンダ（１ａ，１ｂ）の周流を、前記圧縮機（２）の回転軸線に対して垂直にもたらすことを特徴とする、請求項１記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
3. 冷却空気を案内する前記冷却空気通路（６）は、２つの部分から成るプラスチックハウジングにより形成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
4. 前記冷却空気通路（６）は、冷却空気内部流方向を前記シリンダ（１ａ，１ｂ）の下流でまたまとめ、該まとめられた冷却空気内部流方向は、１つの共通の排気通路（７）を介して前記シリンダ（１ａ，１ｂ）の高温の区域から適宜に排出可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
5. 前記ファン（４）は、前記モータ（３）と前記圧縮機（２）との間において同軸的に配置されているラジアルファンの形式に基づいて構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
6. ラジアルファンの形式に基づいて形成された前記ファン（４）は、前記圧縮機（２）の回転軸線から離れるように半径方向に吹き飛ばし、その後、前記冷却空気通路（６）による変向が、まず、コンプレッサ軸線の軸線方向で行われ、次いで、再び前記コンプレッサ軸線から離れるように半径方向で前記シリンダ（１ａ，１ｂ）を超えて行われることを特徴とする、請求項５記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
7. 前記冷却空気は、前記圧縮機（２）の駆動側の軸端部の領域において、フランジ（９）の周面に分配されている開口（８）を介して吸い込まれ、該開口（８）から前記ファン（４）によって前記冷却空気通路（６）に達することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
8. 前記圧縮機（２）は、複数の前記シリンダ（１ａ，１ｂ）を備えた単段形のピストン型圧縮機として構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
9. 前記圧縮機（２）は、オイルフリー式のピストン型圧縮機の形式に基づいて構成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
10. 周囲から吸い込まれてろ過された空気は、前記圧縮機（２）のシリンダヘッド（１１）とクランクハウジング（１２）との間における接続管路（１０）に達し、該接続管路（１０）において、前記空気の一部分は、圧縮のために前記シリンダヘッド（１１）に向かって流れ、前記空気の残りの部分は、内部に位置する支承体個所の冷却のために前記クランクハウジング（１２）に流れることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
11. 前記吸い込まれろ過された空気は、前記シリンダ（１ａ，１ｂ）から放出される熱による加熱前に分配されて、一方で、圧縮のために前記シリンダヘッド（１１）に送られ、他方で、冷却のために前記クランクハウジング（１２）に送られることを特徴とする、請求項１０記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
12. 前記冷却空気通路（６）は、空気流に起因する騒音発生を抑制するために、防音ハウジングとして形成されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサ。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の空冷式のピストン型コンプレッサを装備している、圧縮空気消費器を有する商用車の形式の、電気又はハイブリッド車両。

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