WO1996005431A1 - Kolbenverdichter für gasförmige medien - Google Patents

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WO1996005431A1
WO1996005431A1 PCT/EP1995/003194 EP9503194W WO9605431A1 WO 1996005431 A1 WO1996005431 A1 WO 1996005431A1 EP 9503194 W EP9503194 W EP 9503194W WO 9605431 A1 WO9605431 A1 WO 9605431A1
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WO
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piston
flywheel
air
crankcase
medium
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PCT/EP1995/003194
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Thurner
Original Assignee
Bayrisches Druckguss-Werk Thurner Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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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
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/12—Casings; Cylinders; Cylinder heads; Fluid connections
    • F04B39/128—Crankcases

Definitions

  • the present invention relates to an electrically driven, dry-running piston compressor or piston compressor for gaseous media, preferably for air.
  • a dry-running reciprocating compressor is known from DE 41 10 912 AI, in which the intake air is used for internal cooling of the engine of the working machine.
  • the air to be compressed is drawn into the crankcase from the environment and used to cool the parts such as crankshaft bearings that are exposed to friction.
  • air baffles and even cooling fins are arranged on pipes protruding into the crankcase, in which the joint between the connecting rod and the piston rod moves.
  • crankcase a piston rod is mounted on one flywheel so that it can only move on one side, which is at the same time designed as a rotary slide element for metering, controlling and accelerating the sucked-in medium.
  • the compressor can advantageously be of the type known from DE 36 16 968 A1, in which a connecting rod joint is dispensed with and in which the piston forms a piece with the piston rod. At the other end, the piston rod is articulated on the drive crank.
  • the piston which tumbles as a result can be provided with sealing lips in a manner similar to DE 32 40 475 AI and, similar to DE 36 16 168 AI, has an inner flap valve.
  • This type of compressor is used as a small compressor in the on-board Automotive tool used to be available in the event of a puncture over very short operating times. Continuous operation is not possible with these features alone. Only in combination with the features described here can the use of these known individual features, which enables continuous operation, be used.
  • the flywheel is arranged so favorably in the crankcase that space can be saved, which leads to a small structural unit.
  • the flywheel with its surface running transversely to the axis, acts as a rotary slide valve and thus ensures stroke-dependent metering of the medium.
  • partial surfaces of the flywheel that run parallel to the axis serve as medium accelerators.
  • the flywheel is connected to the piston in such a way that its idle stroke is used at least partially to convey cooling air which is directed past channels in the cylinder housing and past the electric motor and cools it.
  • the necessary air supply and air discharge openings are controlled by an appropriately designed flywheel, to which the piston rod of the delivery piston is attached eccentrically.
  • the corresponding air openings are opened and closed by rotating this flywheel.
  • the shape of the flywheel and the arrangement of the openings must correspond to each other.
  • One opening is for sucking in outside air, the other opening for removing the cooling air. It is a kind of slide valve.
  • front surface sections can be used to accelerate the medium in the desired direction.
  • the flywheel acts like a second pump in the compressor and moves only the one metered for cooling by the same component Proportion of intake. This significantly improves efficiency.
  • the piston head also contains a valve, namely a check valve, through which the air to be compressed flows from the crankcase into the working space during the idle stroke.
  • the piston moves upwards during the working stroke.
  • the valve connected to it is closed. It compresses the air in the cylinder, which is released to the consumer via a further check valve. Outside air is drawn in through the opening opened by the flywheel.
  • the piston moves down again during the idle stroke. As long as its valve is closed, it compresses the air below it, which is then passed for cooling purposes through the opening now opened by the flywheel and serves to cool the cylinder head and the electrical drive of the compressor, thereby preventing movement the flywheel is additionally accelerated.
  • the valve acting from the flywheel like a rotary slide piston works, so to speak, in synchronism with the air inlet and outlet opening compared to the valve in the piston head.
  • the valve in the piston head and the inlet valve are essentially closed, ie with a certain advance.
  • the inlet opens, while initially the valve in the piston head is still closed during the downward stroke, only to open on the further piston travel.
  • the amount of cooling air thus obtained depends on the pressure that the consumer opposes the compressor. At high counterpressure, the consumer hardly takes any air, which means that the compressor consumes a lot of power in order to work against this pressure, which leads to a greater heating of the compressor.
  • the high back pressure also ensures that the piston valve remains closed for a long time and thus a lot of cooling air is conveyed.
  • Fig. 3 shows a section along the line III-III of the figure
  • Fig. 4 is a sectional view of the compressor piston.
  • a compressor 10 consists of a cylindrical motor housing 12, which includes a direct current-operated electric motor in motor vehicles, to which the electrical energy is supplied via a cable 24.
  • a crankcase 14 adjoins the engine housing 12 at right angles. The entire unit of the compressor 10 can be mounted on a mounting plate 22.
  • a cylinder 16 connects to the crankcase 14 and is provided on the outside with cooling fins 18 and a casing 20.
  • the crankcase is laterally provided with an air inlet opening 26 through which the air 70 to be delivered is sucked in.
  • the used air to be conveyed is discharged via a discharge opening 28 at the upper end of the cylinder head 16.
  • Another outlet opening 30 for a portion of cooling air is located at the upper free end of the motor housing 12.
  • the cooling air escapes after cooling the inner parts, lastly the electric motor.
  • the paths of the air flow are indicated by arrows, but are explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a side section of the compressor 10.
  • cooling air ducts for the introduction of cooling air which is symbolized by an arrow 80, can be seen into the motor housing 12. This air flows through the motor housing in the axial direction up to arrow 82 and then exits through opening 30.
  • air channels 46 begin behind an opening 54.
  • the cylinder and piston arrangement is clearer from FIG. 3.
  • a flywheel 34 is seated on an axis 32 of the electric motor. This is eccentric by means of a ball bearing 50 a piston rod 36 is arranged.
  • the flywheel 34 also serves as a rotary slide piston for metering, controlling and additionally accelerating the incoming and outgoing air. With a certain overrun, the air inlet 52 and air outlet opening 54 are alternately opened and closed in the crankcase 14.
  • Various opening arrangements and corresponding flywheel configurations are possible for this. In the present example, an air inlet opening 52 under the air inlet 20 and an air outlet opening 54 are arranged directly opposite one another.
  • the flywheel 34 used for control has an approximately semicircular flywheel segment 33 with an opposite projection 35 for the ball bearing 50.
  • the openings 52, 54 are opened and closed almost simultaneously, with both openings 52, 54 being briefly opened, but never both openings 52, 54 being closed at the same time, which would lead to an undesirable pressure build-up below the piston.
  • the openings 52 and 54 are opened and closed somewhat lagging the upper and lower reversal points of a piston 58.
  • the extension 35 of the flywheel 34 to which the piston rod 36 is fastened therefore has an angle of approximately 15 ° to the vertical with respect to the semicircular flywheel segment 33. This lagging of the control system has proven to be advantageous due to the inertia of the air.
  • the flywheel 34 has the semicircular shape shown in the drawing and also serves as a mass balance for the piston 58 driven by it with piston rod 36 and as a rotary slide control for metering and controlling the incoming and outgoing air.
  • the end faces of the flywheel segments ie the surfaces 33 running in the axial direction and lying at the front and rear in the direction of rotation, develop an additional suction or pressure effect on the crank Housing 14 located air.
  • a check valve which consists of a valve bearing surface 61 provided with openings 59, onto which a valve plate 62 is pressed by means of a valve spring 66.
  • FIG. 3 shows a position of the piston in the left end position.
  • the piston In the opposite position, the piston is at its lower reversal point. From there, the piston 58 moves upward. The air in the cylinder space 38 above the piston 58 is compressed. The air pressure pushes the valve plate 62 upward against the pressure of the valve spring 66, the valve 61, 59, 62 is thus opened. The air pressed up by the piston 58 flows through the openings 59 of the valve plate 62 into a cylinder head cavity 68 and from there via the air outlet opening 28 to the consumer. This movement of the piston 58 from bottom to top is the working stroke of the compressor.
  • the flywheel 34 designed as a rotary slide valve has opened the air inlet opening 52 and at the same time closed the air outlet opening 54, ie that outside air is drawn in via the air inlet opening 26 and the air inlet opening 52 (indicated by arrows 70, 72). If the piston 58 moves downwards again from its upper position, a constantly increasing vacuum is created in the space above the piston.
  • the check valve 61, 59, 62 closes so that no air is drawn in by the consumer through the opening 28 can.
  • the function of this piston 58 with valve is essential for the present invention and is described in more detail with reference to FIG. 4.
  • the piston 58 consists of a head carrier 84 which is fixedly connected to the piston rod 36 by means of a screw 88.
  • An upper insert 86 has at its bottom a ring of openings 92 through which air can pass when the piston 58 moves downward in the open state.
  • a Teflon piston ring 90 surrounds the insert 92 with play. The piston ring 90 is at its lower stop during the working stroke of the piston 58. The valve is then closed. No air can pass through the piston head. This is the case when the piston moves upwards. If the piston ring 90 is at its upper stop, the valve is opened. Air can pass through the piston head. When piston 58 moves downward, the valve in the piston head opens as soon as the pressure below the piston head becomes greater than the pressure above the piston head. The time at which the piston head valve opens depends on the pressure that the consumer brings to the compressor.
  • the air flow is deflected according to arrows 76 and passes through a channel 48 to the other side of the crankcase 14.
  • the air leaves the crankcase through an opening 56.
  • valve in the piston head opens again due to a drop in pressure over the piston 58, no further air is conveyed for cooling purposes when the piston 58 is moved further downward, but air is sucked into the working chamber 68. If the consumer opposes the piston 58 with a high pressure, the compressor consumes a lot of power in order to work against this pressure. At the same time, however, the amount of air conveyed for cooling purposes also increases, since the high pressure on the piston 58 causes this Piston head valve remains closed for a long time and so a large part of the idle stroke can be used to convey air which is directed through opening 54 for cooling purposes through the cylinder housing and past the electric motor.
  • the compressor also consumes only a little power. There is no need for such a high cooling capacity, which is also not made available, since the piston head valve quickly opens again during the downward movement due to the low pressure on the piston 58 from above and thus only a small part of the idle stroke for conveying cooling air can be used.
  • the outer surface of the piston has a very short cylindrical section with the diameter of the cylinder only at the upper edge and then tapers downward with an idle angle of approximately 5 ° to the outer surface of the cylinder.
  • This obliquely tapering shape of the outer edge of the Teflon ring 90 ensures a clean seal even when the piston 58 is tilted. This eliminates the need for additional support for the piston 58. It can be firmly connected to the piston rod 36.
  • the piston should run without lubricant in a cylinder made of anodized aluminum or a similar metal alloy.
  • Teflon is preferably chosen as the material for the running surfaces of the piston.
  • the piston casing made of Teflon has an annular groove on its top near the side wall.
  • a metal ring 94 for example made of steel or aluminum, is attached, which is secured at the top by a pressed-in coil spring 96.
  • the Teflon ring 90 also has a radially inward offset, a further, undercut 98 which is open at the bottom and runs in an annular manner. This undercut allows the inner part of the Teflon head to expand or contract as desired via the temperature without the diameter of the metal ring 94 being influenced from the inside by pressure or tension.
  • the outer diameter of the Teflon piston head changes with the coefficient of expansion of the metal of which the cylinder is made when the metal ring 94 is made of the same metal. This ensures a constant fit between the Teflon piston head and the metal cylinder over the temperature and thus a corresponding tightness.

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Abstract

Eine Einheit aus Elektromotor in einem Gehäuse mit Kurbelgehäuse (14) und Zylinderkopf (16) dient dazu, ein im Kraftfahrzeug benötigtes Medium, vorzugsweise Luft, unter Druck an einem Abgabestutzen (28) zur Verfügung zu stellen. Ein Teil des verdichteten Mediums wird zur Innenkühlung benutzt. Dazu wird beim Ansaugen oder Leerhub des Arbeitskolbens eine Teilströmung unabhängig vom Arbeitsmedium durch Steuerung mittels einer besonders gestalteten Schwungscheibe (34) im Kurbelgehäuse (14) erzeugt und über Kanäle (74, 76, 80, 82) im unteren dorthin gelenkt, wo die Innenkühlung erforderlich ist.

Description

Kolbenverdichter für gasförmige Medien
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebe¬ nen, trockenlaufenden Kolbenverdichter oder Kolbenkompressor für gasförmige Medien, vorzugsweise für Luft.
Hierbei ist beispielsweise, aber auch insbesondere an soge¬ nannte Kleinkompressoren gedacht, die für eine Druckluftver¬ sorgung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Diese Kompressoren sollen auch im Dauerbetrieb arbeiten. Der Einsatz in Kraftfahrzeugen unterwirft die Kompressoren hohen Bela- stungen. Zum einen sind diese mechanischer Art, insbesondere, wenn der Kompressor den Rüttelbewegungen des Motors ausgesetzt ist. Zum anderen handelt es sich um thermische Belastungen, be¬ dingt durch den breiten Temperaturbereich, in dem Fahrzeuge verwendet werden. Es besteht hier speziell das Problem der Überhitzung, wobei die von der im Fahrzeug eingesetzten Brenn¬ kraftmaschine ausgehende Wärme den Haupteinfluß ausübt. Die Umgebungstemperatur im Motorraum beträgt bis +80°C.
Aus der DE 41 10 912 AI ist ein trockenlaufender Hubkolbenkom- pressor bekannt, bei dem die Ansaugluft zur Innenkühlung des Triebwerkes der Arbeitsmaschine benutzt wird. Die zu verdich¬ tende Luft wird aus der Umgebung in das Kurbelgehäuse angesaugt und zur Kühlung der einer Reibung ausgesetzten Teile wie Kur¬ belwellenlager benutzt. Hierbei sind zur gezielten Kühlung der sich im Kurbelgehäuse bewegenden Teile Luftleitbleche und sogar Kühlrippen an in den Kurbelraum ragenden Rohren angeordnet, in denen sich sich das Gelenk zwischen Pleuel und Kolbenstange bewegt. Diese Einbauten machen das Kurbelgehäuse innen kompliziert und groß. Damit ist auch die angesaugte Luftmenge größer als die verdichtete Luft- menge und diese zusätzlich angesaugte Luftmenge wird erwärmt, wofür ein Teil der der Arbeitsmaschine über den elektrischen Antrieb zugeführten Energie nutzlos verschwendet wird. Der Wirkungsgrad des Verdichters wird schlechter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kompres¬ sor bereitzustellen, der eine hohe Temperaturbelastbarkeit auf¬ weist, für Dauerbetrieb auch unter ungünstigen Umständen geeig- net ist und eine einfache und kostengünstige Bauweise aufweist. Ferner soll gegenüber bekannten, einfach aufgebauten Kompresso¬ ren ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden, so daß bei ge¬ ringer elektrischer Leistungsaufnahme ein hoher Druck verfügbar wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß im Kurbelgehäuse eine Kolbenstange nur einseitig beweglich auf einer Schwungscheibe gelagert ist, die zugleich als Drehschieberorgan zur Dosierung, Steuerung und Beschleunigung des angesaugten Mediums ausgebil- det ist.
Vorteilhafterweise kann der Kompressor von der aus der DE 36 16 968 AI bekannten Bauart sein, bei der auf ein Pleuelgelenk ver¬ zichtet wird und bei der der Kolben mit der Kolbenstange ein Stück bildet. Am anderen Ende ist die Kolbenstange an der An¬ triebskurbel angelenkt. Der dadurch taumelnde Kolben kann ähn¬ lich der DE 32 40 475 AI mit Dichtlippen versehen sein und weist ähnlich der DE 36 16 168 AI ein inneres Flatterventil auf. Diese Kompressorbauart ist als Kleinkompressor im Bord- Werkzeug von Kraftfahrzeugen verbreitet, um bei Reifenpannen über sehr kurze Einsatzzeiten verfügbar zu sein. Ein Dauerbe¬ trieb ist mit diesen Merkmalen allein nicht möglich. Erst in der Kombination mit den hier beschriebenen Merkmalen kann die einen Dauerbetrieb ermöglichende Verwendung dieser bekannten Einzelmerkmale genutzt werden.
Die Schwungscheibe ist hierbei so günstig im Kurbelgehäuse an¬ geordnet, daß Platz gespart werden kann, was zu einer kleinen Baueinheit führt. Darüber hinaus wirkt die Schwungscheibe mit ihrer quer zur Achse verlaufenden Fläche als Drehschieberventil und sorgt damit für eine hubabhängige Dosierung des Mediums. Außerdem dienen parallel zur Achse verlaufende Teilflächen der Schwungscheibe als Mediumsbeschleuniger.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schwungscheibe so mit dem Kolben verbunden, daß dessen Leerhub zumindest teil¬ weise zur Förderung von Kühlluft verwendet wird, die über Ka¬ näle im Zylindergehäuse und am Elektromotor vorbeigeleitet wird und diese kühlt. Die Steuerung der notwendigen Luftzufuhr- und Luftableitungsöffnungen erfolgt durch eine entsprechend ausge¬ bildete Schwungscheibe, an der die Kolbenstange des Förderkol¬ bens exzentrisch befestigt ist. Durch die Drehung dieser Schwungscheibe werden die entsprechenden Luftöffnungen geöffnet und geschlossen. Die Form der Schwungscheibe und die Anordnung der Öffnungen müssen dabei miteinander korrespondieren. Eine Öffnung dient zum Ansaugen von Außenluft, die andere Öffnung zur Abführung der Kühlluft. Es handelt sich um eine Art Schie¬ berventil.
Zugleich können Frontflächenabschnitte zur Mediumsbeschleuni¬ gung in die gewünschte Richtung benutzt werden. Die Schwung¬ scheibe wirkt wie eine zweite Pumpe im Verdichter und bewegt dabei nur den zur Kühlung vom selben Bauelement dosierten Anteil des Angesaugten. Damit verbessert sich der Wirkungsgrad erheblich.
Der Kolbenkopf enthält, wie oben beschrieben, ebenfalls ein Ventil, nämlich ein Rückschlagventil, durch das die zu ver¬ dichtende Luft aus dem Kurbelgehäuse während des Leerhubs in den Arbeitsraum fließt.
Beim Arbeitshub bewegt sich der Kolben nach oben. Das mit ihm verbundene Ventil ist geschlossen. Er komprimiert die Luft im Zylinder, die über ein weiteres Rückschlagventil an den Ver¬ braucher abgegeben wird. Außenluft wird über die von der Schwungscheibe geöffnete Öffnung angesaugt.
Beim Leerhub bewegt sich der Kolben wieder nach unten. Solange sein Ventil geschlossen ist, komprimiert er die sich unterhalb von ihm befindliche Luft, die dann zu Kühlzwecken durch die jetzt von der Schwungscheibe geöffnete Öffnung geleitet wird und zur Kühlung des Zylinderkopfes sowie des elektrischen An- triebs des Kompressors dient, wobei sie von der Bewegung der Schwungscheibe zusätzlich beschleunigt wird. Das von der Schwungscheibe wie ein Drehschieberkolben wirkende Ventil ar¬ beitet sozusagen im Gleichtakt gegenüber der Lufteinlaß- und Auslaßδffnung im Vergleich zum Ventil im Kolbenkopf. Im Ar- beitshub ist das Ventil im Kolbenkopf und das Einlaßventil im wesentlichen, d.h. mit einem gewissen Vorlauf, geschlossen. Um¬ gekehrt öffnet sich nach dem Drucklauf durch den oberen Tot¬ punkt der Einlaß, während anfänglich beim Abwärtshub das Ventil im Kolbenkopf noch geschlossen ist, um sich erst auf dem weite- ren Kolbenweg zu öffnen. Danach gelangt eine dosierte Menge vom Arbeitsmedium nach oben über den Kolben und eine dosierte Menge wird durch die von der Schwungmasse freigegebene Ansaugδffnung in den Kurbelraum eingezogen, während der Zugang zu den Kühl- kanälen von der Schwungscheibe geschlossen ist. Hierbei wirkt eine in Drehrichtung rückwärtige Stirnfläche vorteilhafterweise wie ein Saugkolben und die vordere Stirnfläche treibt das Me¬ dium aus dem Kurbelraum in den Zylinder unter den inzwischen ganz offenen Kolben. Im unteren Totpunkt kehren sich alle Stel- lungen um. Der Kühlluftkanal wird freigegeben und das dosiert in Kurbelraum vorhandene Medium verteilt sich als Arbeitsmedium über den Kolben und als Kühlmedium an die zu kühlenden Stellen.
Die Menge der so erhaltenen Kühlluft hängt vom Druck ab, den der Verbraucher dem Kompressor entgegensetzt. Bei hohem Gegen¬ druck nimmt der Verbraucher kaum Luft ab, womit der Kompressor viel Leistung aufnimmt, um gegen diesen Druck anzuarbeiten, was zu einer stärkeren Erhitzung des Kompressors führt. Der hohe Gegendruck sorgt aber auch dafür, daß das Kolbenventil lange geschlossen bleibt und somit viel Kühlluft gefördert wird.
Bei schwachem Gegendruck des Verbrauchers nimmt der Verbraucher nahezu alle Luft ab, der Kompressor nimmt nur wenig Leistung auf und erwärmt sich daher auch weniger. Durch den schwachen Gegendruck bleibt das Kolbenventil bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nur kurz geschlossen, womit weniger Kühlluft gefördert wird. Man erreicht dadurch eine selbsttätige Regelung der Kühlleistung abhängig von der Kompressorbelastung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kolbenkompressors ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht des Kompressors,
Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Figur
2, Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Kompressorkolbens.
In dem folgenden Ausführungsbeispiel wird als Medium Luft benutzt. Ein Kompressor 10 besteht gemäß Fig. 1 aus einem zylindrischen Motorgehäuse 12, das einen in Kraftfahrzeugen üblichen gleichstrombetriebenen Elektromotor einschließt, dem die elektrische Energie über ein Kabel 24 zugeführt wird. An das Motorengehäuse 12 schließt sich rechtwinkelig ein Kurbel¬ gehäuse 14 an. Die ganze Einheit des Kompressors 10 ist über eine Befestigungsplatte 22 montierbar.
An das Kurbelgehäuse 14 schließt sich ein Zylinder 16 an, der außen mit Kühlrippen 18 und einer Ummantelung 20 versehen ist. Das Kurbelgehäuse ist seitlich mit einer Lufteinlaßöffnung 26 versehen, durch die die zu fördernde Luft 70 angesaugt wird. Die zu fördernde Gebrauchs-Luft wird über eine Abgabeδffnung 28 am oberen Ende des Zylinderkopfes 16 abgegeben. Eine weitere Auslaßöffnung 30 für einen Kühlluftanteil befindet sich am oberen freien Ende des Motorgehäuses 12. Hier entweicht die Kühlluft nach Kühlung der inneren Teile, zuletzt des Elektro¬ motors. Die Wege des Luftverlaufs sind durch Pfeile angedeutet, werden aber weiter unten noch näher erklärt.
Die Fig. 2 zeigt einen Seitenschnitt des Kompressors 10. Es sind hier Kühlluftkanäle für die Einleitung von Kühlluft, die durch einen Pfeil 80 symbolisiert ist, bis in das Motorgehäuse 12 erkennbar. Diese Luft durchströmt das Motorgehäuse in axialer Richtung bis zum Pfeil 82 und tritt dann durch die Öffnung 30 aus.
Im Kurbelgehäuse 14 beginnen Luftkanäle 46 hinter einer Öffnung 54. Die Zylinder- und Kolbenanordnung wird aus Fig. 3 deutli¬ cher. Auf einer Achse 32 des Elektromotors sitzt eine Schwung¬ scheibe 34. An dieser ist exzentrisch mittels eines Kugellagers 50 eine Kolbenstange 36 angeordnet. Die Schwungscheibe 34 dient gleichzeitig als Drehschieberkolben zur Dosierung, Steuerung und zusätzlichen Beschleunigung der ein- und austretenden Luft. Mit einem gewissen Nachlauf werden wechselseitig im Kurbelge- häuse 14 die Lufteintritts- 52 und Luftaustrittsöffnung 54 ge¬ öffnet und geschlossen. Dazu sind verschiedene Öffnungsanord¬ nungen und entsprechende Schwungscheibenausgestaltungen mög¬ lich. Im vorliegenden Beispiel sind eine Lufteintrittsöffnung 52 unter dem Lufteinlaß 20 und eine Luftaustrittsöffnung 54 einander direkt gegenüberliegend angeordnet. Die zur Steuerung verwendete Schwungscheibe 34 weist ein etwa halbkreisförmiges Schwungscheibensegment 33 mit einem gegenüberliegenden Ansatz 35 für das Kugellager 50 auf. Dadurch werden die Öffnungen 52, 54 nahezu gleichzeitig geöffnet und geschlossen, wobei kurzzei- tig beide Öffnungen 52, 54 geöffnet, aber niemals beide Öff¬ nungen 52, 54 zugleich geschlossen sind, was zu einem uner¬ wünschten Druckaufbau unterhalb des Kolbens führen würde. Das Öffnen und Schließen der Öffnungen 52 und 54 erfolgt etwas nacheilend zu den oberen und unteren Umkehrpunkten eines Kol- bens 58. Der Ansatz 35 der Schwungscheibe 34, an dem die Kol¬ benstange 36 befestigt ist, weist deswegen einen Winkel von ca. 15° zur Senkrechten bezüglich des halbkreisförmigen Schwung¬ scheibensegments 33 auf. Dieses Nachhinken der Steuerung hat sich, bedingt durch die Strömungsträgheit der Luft, als vor- teilhaft erwiesen.
Die Schwungscheibe 34 hat die aus der Zeichnung ersichtliche halbkreisförmige Form und dient zugleich als Massenausgleich für den von ihr angetriebenen Kolben 58 mit Kolbenstange 36 und als Drehschiebesteuerung zur Dosierung und Steuerung der ein- und austretenden Luft. Die Stirnflächen der Schwungseheiben- segmente, d.h. die in axialer Richtung verlaufenden und in Drehrichtung vorne und hinten liegenden Flächen 33 entwickeln eine zusätzliche Saug- bzw. Drückwirkung auf die im Kurbel- gehäuse 14 befindliche Luft.
Oberhalb des Kolbens 58 befindet sich ein Zylinderraum 38, der nach oben hin durch ein Rückschlagventil abgeschlossen wird, welches aus einer mit Öffnungen 59 versehenen Ventilaufläge- fläche 61 besteht, auf die mittels einer Ventilfeder 66 eine Ventilplatte 62 gepreßt wird.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Kompressors näher beschrieben. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist eine Stellung des Kolbens in der linken Endposition gezeigt. In der entgegen¬ gesetzten Position ist der Kolben in seinem unteren Umkehr¬ punkt. Von dort bewegt sich der Kolben 58 nach oben. Dabei wird die sich im Zylinderraum 38 über dem Kolben 58 befindliche Luft komprimiert. Der Luftdruck drückt die Ventilplatte 62 gegen den Druck der Ventilfeder 66 nach oben, das Ventil 61, 59, 62 ist damit geöffnet. Die vom Kolben 58 nach oben gepreßte Luft fließt durch die Öffnungen 59 der Ventilplatte 62 in einen Zylinderkopfhohlraum 68 und von dort über die Luftaustritts- Öffnung 28 zum Verbraucher. Bei dieser Bewegung des Kolbens 58 von unten nach oben handelt es sich um den Arbeitshub des Kom¬ pressors.
Durch diese Bewegung entsteht unterhalb des Kolbens 58 ein Unterdruck. Dies führt dazu, daß Luft angesaugt wird. Die als Drehschieberventil ausgebildete Schwungscheibe 34 hat die Lufteintrittsöffnung 52 freigegeben und gleichzeitig die Luft- austrittsöffnung 54 verschlossen, d.h. daß Außenluft über die Lufteinlaßöffnung 26 und die Lufteintrittsöffnung 52 angesaugt wird (angedeutet durch die Pfeile 70, 72) . Bewegt sich nun der Kolben 58 von seiner oberen Stellung wieder nach unten, so entsteht im Raum über dem Kolben ein stetig wachsender Unter¬ druck. Das Rückschlagventil 61, 59, 62 schließt sich, so daß keine Luft vom Verbraucher über die Öffnung 28 angesaugt werden kann. Im Kolben 58 befindet sich ebenfalls ein Ventil. Die Funktion dieses Kolbens 58 mit Ventil ist für die vorliegende Erfindung wesentlich und wird anhand von Fig. 4 näher beschrie¬ ben. Der Kolben 58 besteht aus einem Kopfträger 84, der mit einer Schraube 88 fest mit der Kolbenstange 36 verbunden ist.
Ein oberer Einsatz 86 weist an seinem Boden einen Kranz von Öffnungen 92 auf, durch die im geöffneten Zustand bei Abwärts¬ bewegung des Kolbens 58 Luft hindurchtreten kann. Ein Kolben- ring 90 aus Teflon umschließt den Einsatz 92 mit Spiel. Der Kolbenring 90 befindet sich beim Arbeitshub des Kolbens 58 an seinem unteren Anschlag. Das Ventil ist dann geschlossen. Es kann keine Luft durch den Kolbenkopf hindurchtreten. Dies ist der Fall, wenn sich der Kolben nach oben bewegt. Befindet sich der Kolbenring 90 an seinem oberen Anschlag, so wird das Ventil geöffnet. Es kann Luft durch den Kolbenkopf hindurchtreten. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 58 öffnet sich das Ventil im Kolbenkopf, sobald der Druck unterhalb des Kolbenkopfes größer wird als der Druck oberhalb des Kolbenkopfes. Der Zeitpunkt des Öffnens des Kolbenkopfventils hängt ab vom Druck, den der Ver¬ braucher dem Kompressor entgegenbringt. Dieser Druck ist klein, solange der Verbraucher viel Luft abführt, und steigt, wenn der Verbraucher nur noch wenig Luft wegnimmt. Solange das Kolben¬ kopfventil geschlossen ist, wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens die darunter befindliche Luft verdichtet. Die als Dreh¬ schieberventil ausgebildete Schwungscheibe 34 hat inzwischen die Lufteintrittsöffnung 52 verschlossen und die Luftaustritts- δffnung 54 freigegeben. Die vom Kolben nach unten gedrückte Luft strömt durch diese Öffnung 54 gemäß eingezeichneter Pfeile 74 durch den Kanal 46 des Kurbelgehäuses 14 in den Zylinderkopf
16 und an den Kühlrippen 18 vorbei. Im oberen Teil des Zylin¬ derkopfes wird der Luftstrom gemäß den Pfeilen 76 umgelenkt und gelangt durch einen Kanal 48 auf die andere Seite des Kurbel¬ gehäuses 14. Durch eine Öffnung 56 verläßt die Luft das Kurbel- gehäuse gemäß Pfeil 80 und tritt in das Motorgehäuse 12 ein, wobei sie kühlend an einem nicht dargestellten Elektromotor üblicher Bauart vorbeiströmt. Sie verläßt das Motorgehäuse 12 durch eine Öffnung 30, wie durch den Pfeil 82 angedeutet.
Wenn durch Druckabfall über dem Kolben 58 das Ventil im Kolbenkopf sich wieder öffnet, wird beim weiteren Nachuntenbe- wegen des Kolbens 58 keine weitere Luft für Kühlzwecke geför¬ dert, aber Luft in den Arbeitsraum 68 angesaugt. Setzt der Verbraucher dem Kolben 58 einen hohen Druck entgegen, nimmt der Kompressor viel Leistung auf, um gegen diesen Druck anzuarbei¬ ten. Gleichzeitig steigt aber auch die Menge der für Kühlzwecke geförderten Luft, da durch den großen Druck von oben auf den Kolben 58 das Kolbenkopfventil lange geschlossen bleibt und so ein großer Teil des Leerhubes zur Förderung von Luft, die über die Öffnung 54 zu Kühlzwecken durch das Zylindergehäuse und am Elektromotor vorbeigeleitet wird, genutzt werden kann. Setzt der Verbraucher dagegen dem Kolben 58 nur einen geringen Druck entgegen, nimmt der Kompressor auch nur wenig Leistung auf. Es wird keine so hohe Kühlleistung benötigt, die auch nicht zur Verfügung gestellt wird, da durch den geringen Druck von oben auf den Kolben 58 das Kolbenkopfventil sich bei der Abwärtsbe¬ wegung schnell wieder öffnet und so nur ein geringer Teil des Leerhubes zur Förderung von Kühlluft verwendet werden kann.
Die Mantelfläche des Kolbens weist nur am oberen Rand einen sehr kurzen zylindrischen Abschnitt mit dem Durchmesser des Zylinders auf und verjüngt sich dann nach unten mit eitlem Win¬ kel von ca. 5° zu der Mantelfläche des Zylinders. Durch diese schräg zulaufende Form der Außenkante des Teflonringes 90 ist auch beim verkippten Lauf des Kolbens 58 eine saubere Abdich¬ tung gewährleistet. Es erübrigt sich damit eine zusätzliche Lagerung des Kolbens 58. Er kann mit der Kolbenstange 36 fest verbunden sein. Weiterhin soll der Kolben ohne Schmiermittel in einem Zylinder aus Eloxal-Aluminium oder einer ähnlichen Metallegierung lau¬ fen. Demgegenüber wird als Material für die Laufflächen des Kolbens vorzugsweise Teflon gewählt. Um den wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten von Teflon gegenüber Metall über den großen Temperaturbereich auszugleichen, über den der Kompressor eingesetzt werden soll, weist der Kolbenmantel aus Teflon eine ringförmig verlaufende Nut an seiner Oberseite in der Nähe der Seitenwand auf. In dieser ist ein Metallring 94, beispielsweise aus Stahl oder aus Aluminium, angebracht, der nach oben hin durch eine eingepreßte Schraubenfeder 96 gesichert ist. Der Teflonring 90 weist weiterhin radial nach innen versetzt, eine weitere, nach unten offene, ringförmig verlaufende Hinter- schneidung 98 auf. Durch diese Hinterschneidung kann sich der innere Teil des Teflonkopfes beliebig über die Temperatur aus¬ dehnen oder zusammenziehen, ohne daß der Durchmesser des Me¬ tallrings 94 durch Druck oder Zug von innen beeinflußt wird. Durch diese Anordnung ändert sich der Außendurchmesser des Teflonkolbenkopfes mit dem Ausdehnungskoeffizienten des Me- talls, aus dem der Zylinder besteht, wenn der Metallring 94 aus demselben Metall hergestellt ist. Somit wird eine über die Tem¬ peratur gleichbleibende Passung zwischen dem Kolbenkopf aus Teflon und dem Metalizylinder und damit eine entsprechende Dichtigkeit sichergestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisch angetriebener, trockenlaufender Kolbenkom¬ pressor (10) für gasförmige Medien, insbesondere Luft, wobei das Medium zur Innenkühlung über ein Kurbelgehäuse
(14) angesaugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Kurbelgehäuse (14) eine Kolbenstange (36) nur ein¬ seitig beweglich auf einer Schwungscheibe (34) gelagert ist, die zugleich als Drehschieberorgan zur Dosierung, Steuerung und Beschleunigung des angesaugten Mediums aus- gebildet ist.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kolbenstange (36) fest mit einem Kolben (58) ver- bunden ist, der mit einem inneren Ventil versehen ist, welches während des Arbeitshubes im wesentlichen geschlos¬ sen und während des Leerhubes im wesentlichen offen ist.
3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schwungscheibe (34) beim Arbeitshub eine Öffnung (52) freigibt, durch die das Medium von außen angesaugt wird und beim Leerhub des Kolbens (38) diese Öffnung (52) wieder verschließt und dafür eine zweite Öffnung (54) freigibt, durch die das beim Leerhub verdichtete Medium über Kanäle (46, 48) im Kurbelgehäuse (14) und am Zylin¬ derkopf (16, 18) sowie am elektrischen Antrieb (12) vorbei nach außen (30, 82) geleitet und beschleunigt wird.
4. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schwungscheibe (34) so ausgebildet ist, daß das wechselseitige Öffnen und Schließen der Öffnungen (52, 54) zeitlich nach hinten versetzt zu den oberen und unteren Umkehrpunkten des Kolbens (58) erfolgt.
5. Kolbenkompressor nach Anspruch 3 oder den Ansprüchen 3 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Öffnungen für den Luftein- und Luftaustritt (52, 54) einander direkt gegenüber liegen.
6. Kolbenkompressor nach den Ansprüchen 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schwungscheibe (34) aus einem halbkreisförmigen Segment (33) besteht, das einen über den Drehpunkt (32) hinausragenden Ansatz (35) aufweist, an dem exzentrisch die Kolbenstange (36) angelenkt ist und in Drehrichtung Flächenabschnitte zur zusätzlichen Luftbeschleunigung aufweist.
7. Kolbenkompressor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Ansatz (35) der Schwungscheibe (34) einen Winkel von ca. 15° zur Senkrechten auf das halbkreisförmige Schwungscheibensegment (33) einnimmt.
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