DE2619561A1

DE2619561A1 - Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE2619561A1
Application number: DE19762619561
Authority: DE
Inventors: Charles W Ickes; Meredith W Meece; Fred H Moore
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1975-05-06
Filing date: 1976-05-04
Publication date: 1976-11-18
Also published as: CA1054585A; GB1542926A; US4190402A; JPS521506A

Description

Deutsche ITT Industries GmbH 27. April 1976 Freiburg im Breisgau

575 112 Zli/Schn/c

M. W. Meece - 2 C.W. Ickes - 1 P. H. Moore - 1

Kolbenverdichter

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, bestehend aus einem Motor mit einer Motorwelle, durch welche in einem Kurbelgehäuse ein Kurbelantrieb für mindestens ein Paar von in einem Zylindergehäuse angeordneten Zylindern gebildet ist und bei dem ein Gebläse zur Kühlung des Kolbenverdichters auf der Motorwelle angeordnet ist, durchdas Kühlluft in ein Verdichter^-gehäuse ansaugbar ist.

Bis heute werden Verdichter hoher Leistungen als Kolbenverdichter ausgebildet, um den erforderlichen Druck und das notwendige Fördervolumen zu erreichen. Kolbenverdichter für zwei PS und höhere Leistungen haben Motoren, die mittels Keilriemenantrieb mit dem Verdichter verbunden sind und weisen ein Schwungrad auf, welches mit der Welle der Riemenscheibe verbunden ist und Höchstbelastungen ausgleicht. Infolge der Keilriemenantriebe sind solche Kolbenverdichter außerordentlich groß, so daß ein Bedarf an Kolbenverdichtern geringerer Größe für hohe Leistungen besteht.

Eine bekannte Lösung dieses Problems der Verringerung der Größe des Kolbenverdichters besteht darin, integrierte Ausführungen vorzusehen, bei denen Antrieb und Pumpe oder Kompressor in einer Einheit an einer Welle angeordnet sind. In der Praxis hat es sich jedoch

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gezeigt, daß solche integrierten Ausführungen infolge auftretender Kühlprobleme und der hohen zyklischen Belastung des Motors auf Leistungen von weniger als einem FS beschränkt sind. Dadurch sind bekannte Kolbenverdichter, die für hohe Leistungen einsetzbar sind, bisher von außerordentlicher Größe.

Diese bekannten Kolbenverdichter für hohe Leistungen haben zudem den Nachteil, daß Öl zum Schmieren, Dichten und Kühlen verwendet wird. Geölte Flächen tragen zur Dichtung zwischen Kolben und Zylinder und zwischen Ventilen und Ventilplatten bei, so daß die Entwicklung höherer Drücke ermöglicht wurde. Die Kühlung wurde durch die Verwendung von öl in zweifacher Hinsicht verbessert. Zum einen begrenzt das Öl die entstehende Heibung und damit die durch Reibung entstehende Wärme. Zum zweiten neigt das Öl dazu, Wärme von verschiedenen heißen Stellen im Kolbenverdichter abzuführen.

In jüngerer Zeit ist Jedoch verstärkt ein Bedarf an ölfreien Verdichtern für hohe Leistungen entstanden, denn in vielen Anwendungsbereichen, wie z.B. bei medizinischen Vorrichtungen, Computern, Instrumenten oder Produktionsvorrichtungen ist ein Gebrauch von Öl in Kolbenverdichtern nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Kolbenverdichter hoher Leistung zu schaffen, der ölfreie Druckluft liefert und von möglichst geringer Baugröße ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gebläse aus zwei Ventilatoren mit entgegengesetzter Einlaßseite besteht und zur ersten Einlaßseite eine Luftverbindung von mindestens einer motorseitigen Ventilationsöffnung des Kurbelgehäuses durch das Kurbelgehäuse hindurch gebildet ist, während zur zweiten Einlaßseite eine Luftverbindung durch Öffnungen in einer Stirnwand des Zylindergehäuses vorgesehen ist«

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Durch diese Gestaltung ergibt es sich, daß die vom Gebläse über das Kurbelgehäuse angesaugte Luft zunächst den Kurbeltrieb mit Pleuellager und Pleuelstange kühlt, bevor sie von dem Gehläse in das Zylindergehäuse gefördert wird und zusammen mit der unmittelbar in das Zylindergehäuse gesaugten Luft über die Zylinder und Zylinderköpfe des Verdichters zu deren Kühlung strömt. Es ergibt sich dadurch eine solch gute Kühlung des Verdichters, daß kein Öl zur Schmierung notwendig ist. Diese gute Kühlung ermöglicht es, den Verdichter sehr kompakt zu gestalten·

Durch die Erfindung wurde es möglich, einen Verdichter mit 2 PS (2 horse powers) Leistung zu bauen, der ein Fördervolumen von 405 l/min (I4f3 standard cubic feet per minute) hatte und ständig Drücke von 6,89 bar (» 100 psi) sowie kurzzeitig Drücke bis 7»58 bar ( 110 psig) lieferte. Bei 3 PS (3 horse powers) Leistung betrug das Fördervolumen 481,44 1 (17»0 standard cubic feet per minute) bei gleichem Druck.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß auf der Motorwelle ein Schwungrad innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß das Schwungrad die durch die Ventilationsöffnungen des Kurbelgehäuses einströmende Kühlluft nicht in ihrer Strömung beeinflußt. Dadurch, daß das Schwungrad unmittelbar auf der Motorwelle sitzt, baut der erfindungsgemäße Verdichter sehr klein. Das Schwungrad liefert ein ausreichendes Trägheitsmoment, mit dem eine gleichzeitige Verdichtung mit beiden sich gegenüberliegenden Kolben möglich isto Weil durch die sich gegenüberliegenden Kolben die Lagerkräfte ausgeglichen sind, vereinfacht sich das Lager und die Motorkonstruktion.

Durch die mit Anspruch 5 gekennzeichnete Gestaltung der Ventileinheiten wird erreicht, daß es trotz des Fehlens eines Ölfilms nicht zu einem Flattern der Ventilglieder kommen kann.

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Wenn gemäß den Ansprüchen 6 bis 10 die Lauffläche der Zylinder und Kolben sowie die Kolbenringe selbstschmierend sind, indem sie Fluorkohlenstoff enthalten, vermindert sich die durch Reibung entstehende Wärme wesentlich.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In der Beschreibung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht - teilweise im Schnitt - des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters;

Fig. 2 den Kolbenverdichter nach Figur 1 in Explosionsdarstellung;

Fig. 3 eine Ansicht des für die vorliegende Erfindung verwendeten Motors teilweise im Schnitt;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ventileinheiten;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Luftströme der Kühlluft durch den Kolbenverdichter.

Die Figuren 1, 2 und 5 zeigen einen Motor 10 mit einer Motorwelle 12, welche an einem Ende des Motors aus diesem herausragt, sowie ein Ventilatorgehäuse 14 am entgegengesetzten Ende des Motors. Das Motorgehäuse bildet im wesentlichen eine Einheit und weist Kühlrippen 18 an seiner Außenfläche auf. Ein Ventilator ist in dem Ventilatorgehäuse 14 angeordnet, welcher die Luftzirkulation an der Außenfläche des Motorgehäuses und an den Kühlrippen 18 aufrechterhält, so daß die Innentemperatur des Motors ein zulässiges Maß nicht überschreitet. Der Motor 10 ist bei der vorliegenden Erfindung mit einem Schwungrad 20 ausgestattet, welches im Motorgehäuse in der in Figur 3 ersichtlichen Weise angeordnet ist.

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Figur 3 zeigt einen äußeren Lagerteil 22 der Motorwelle 12, welcher mit hoher Fertigungsgenauigkeit hergestellt wird und zur Verbindung mit einem Gebläse 72 vorgesehen ist. Die Motorwelle hat neben dem Lagerteil 22 zum Motor hin ein inneres Lagerteil 24, welches ebenfalls mit hoher Fertigungsgenauigkeit hergestellt werden muß, da auf ihm die Exzenter für den Kurbeltrieb angebracht sind. Eine Keilnut 28 ist entlang der Lagerteile 22,24 gebildet, welche dem genauen Einfügen der Exzenter dient, was nachfolgend erläutert wird.

Die Motorwelle 12 ist an einem Ende des Motorgehäuses in einem Lager 30 gelagert und angrenzend daran ist das Schwungrad 20 angeordnet, welches aus Stahl besteht und einen Durchmesser von 178 mm (=7') und eine Stärke von 38 mm (=1 1/2 ·) hat. Die Stirnwand 32 des Motors 10 ist mit hoher Fertigungsgenauigkeit hergestellt und führt zu einem genauen Aneinanderpassen mit einem Kurbelgehäuse 44» welches mit dem Motor verbunden ist.

Ein 2 PS - Motor, welcher in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde, wird von General Electric unter der Bezeichnung 5&184KL6453 hergestellt.

Ein Paar Exzenter 34 ist auf dem Lagerteil 24 der Motorwelle 12 angeordnet. Die Exzenter 34 liegen an der Welle 12 an und sind drehfest mit ihr verbunden, wenn eine Feder in die Keilnut 28 eingeführt wird. Die Exzenter 34 sind so gestaltet, daß sich die Totpunkte an einander entgegengesetzten Stellen befinden, wenn die Exzenter an der Welle verriegelt sind, so daß beide Kolben gleichzeitig betätigt werden. Dadurch sind die Lagerkräfte ausgeglichen. Ein Paar von Pleuelstangen 36 ist mittels Lager an einem Ende mit den Exzentern und an dem anderen Ende mit den Kolben 38 verbunden. Die Kolben 38 bestehen aus Aluminium, sind jedoch mit Laufflächen 40 versehen, welche aus einem Gemisch gefertigt sind, das zu 15 VoI-^o aus Koks- ■

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mehl (coke flour) in Fluorkohlenstoff besteht, wodurch die Laufflächen 40 der Kolben im wesentlichen selbstschmierend beschaffen sind, so daß nur geringe Reibung an den Kolbenflächen entsteht. Am Kolben sind Ringe 4² angeordnet, welche aus einem Gemisch gefertigt sind, das zu 55/£ aus Bronze, zu 5$ aus Molydisulf ide (molydisulf ide) und zu 40$ aus Fluorkohlenstoff besteht, wodurch eine nur geringe Reibung an den Flächen der Ringe entsteht.

Über den Pleuelstangen 36, den Lagern, den Exzentern 34 und der Motorwelle 12 ist ein Kurbelgehäuse 44 aus Aluminiumguß angeordnet. Das Kurbelgehäuse 44 ist an der Stirnwand 32 des Motors 10 angebracht und weist eine maschinell bearbeitete Oberfläche 46 auf, welche mit der maschinell bearbeiteten Oberfläche der Stirnwand 32 in Anlage kommt, wodurch Kurbelgehäuse und Motor gut aneinandegefügt sind. Das Kurbelgehäuse 44 ist mit einem offenen Ende entgegengesetzt der maschinell bearbeiteten Fläche 46 ausgestattet. An einander entgegengesetzten Seiten des Kurbelgehäuses 44 sind zwei Öffnungen 48 vorgesehen, die die Zylinder 52 aufnehmen und genau in ihrer Lage halten. Das Kurbelgehäuse 44 ist außerdem mit Ventilationsöffnungen 50 versehen, die durch Öffnungen in der Fläche 46 gebildet werden und dem Einlaß von Luft in das Kurbelgehäuse dienen. Eine Vielzahl von Öffnungen ist auch im Boden des Kurbelgehäuses vorgesehen.

Ein Paar Zylinder 52 ist über den Kolben JQ angeordnet und in den Öffnungen 48 des Kurbelgehäuses 44 befestigt. Die gußeisernen Zylinder 52 haben an ihren Außenflächen Rippen 54 zur Ableitung entstehender Wärme. Die zylindrischen Innenflächen der Zylinder 52 sind nickelbeschichtet und mit Fluorkohlenstoff imprägniert, wodurch eine glatte, geringe Reibung verursachende Fläche zur Berührung mit den Kolbenlaufflächen 40 und Ringen 42 vorgesehen werden kann.

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Ein Paar von Ventileinheiten 56 ist an den Enden der Zylinder 52 angeordnet. Jede Ventileinheit 56 weist ein Einlaß- und ein Auslaßventil auf. Figur 4 zeigt den Aufbau der Ventileinheit.

Eine gepreßte Dichtung 58 aus Fasermaterial trägt vier zungenförmige Ventilglieder 60 aus rostfreiem Stahl, wobei zwei der Ventilglieder 60 auf einer Seite der Dichtung 58 als Einlaßventile und die "beiden anderen Ventilglieder 60 auf der anderen Seite der Dichtung 58 als Auslaßventile vorgesehen sind. Die zungenförmigen Ventilglieder 60 sind an den mit 61 bezeichneten Stellen an der Dichtung 58 befestigt. Die freien Enden der Ventile 60 liegen über Öffnungen 62, welche in der Dichtung 58 angebracht sind. Diese Öffnungen 62 haben gleiche Konturen wie die zungenförmigen Ventilglieder 60, sindjedoch geringfügig größer, so daß sich die freien Enden der Ventilglieder 60 frei hin und her bewegen können. Die Dichtung 58 ist zwischen zwei nickelbeschichteten Ventilplatten 64 angeordnet, welche polierte Flächen aufweisen, um ein gutes Abdichten von Fläche zu Fläche mit den zungenförmigen Ventilen 60 zu gewährleisten. Die Dichtung 58 hat eine Stärke von 2 mm (= 0,080·) und begrenzt damit den Hubweg des Ventils. Die rostfreien, aus Stahl gefertigten Einlaßventile weisen eine Stärke von 0,254 mm (» 0,010*), die Auslaßventile weisen eine Stärke von 0,356 mm («= 0,014') auf.

Ein Paar Aluminium-Zylinderköpfe 66 ist über den Ventileinheiten angeordnet und weist Eintritts- und Austrittsöffnungen auf, welche Verbindung mit den Einlaß- und Auslaßventilen der Ventileinheiten 56 haben. An den Zylinderköpfen 66 sind Luftfilter 68 angeordnet, welche übliche Filtereinsätze aus Papier enthalten und Verbindung mit den Eintrittsöffnungen der Zylinderköpfe 66 zum Zwecke eines Filterns der in den Kolbenverdichter eingesogenen Luft haben. Eine rohrförmige Leitung 70 ist mit den Auslaßöffnungen in den Zylinderköpfen 66 verbunden und führt zum Auslaß des Verdichters.

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Auf dem äußeren Lagerteil 22 der Motorwelle 12 ist ein Gebläse 72, bestehend aus zwei Ventilatoren, mit einem Durchmesser von 182 mm (■ 7*17') ähnlich dem serienmäßigen doppelten Gebläse Brookside Eine erste Einlaßseite 72a des Gebläses befindet sich in Angrenzung an das offene Ende des Kurbelgehäuses 44» diese Öffnung stimmt in ihrer Größe mit der Einlaßöffnung des Gebläses überein. Über dem Gebläse 72 und den Zylindern 52 ist ein Zylindergehäuse 74 aus Aluminiumguß oder Blech vorgesehen. Das Zylindergehäuse 74 weist an seiner Stirnseite eine aus Schlitzen bestehende Öffnung J6 in unmittelbarer Nachbarschaft der zweiten Einlaßseite 72b des doppelt wirkenden Gebläses 72 auf, Weiterhin dient das Zylindergehäuse 74 dazu, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft über die Zylinder 52 und Zylinderköpfe 66 zu erhöhen.

Figur 5 zeigt, wie die Kühlluft von einem Ventilator des Gebläses 72 über die Einlaßseite 72a durch die Ventilationsöffnungen 50 und durch das Kurbelgehäuse 44 angesaugt wird zum Zwecke der Kühlung der Lager der Pleuelstangen 36. Über die zweite Einlaßseite 72b des Gebläses 72 wird Luft durch die Öffnung 76 gesaugt. Die von den Einlaßseiten 72a und 72b angesogene Luft tritt in das Zylindergehäuse 74 ©in und wird zur Kühlung über die Zylinder 52 und die Zylinderköpfe 66 geleitet. Die besondere Gestaltung des Zylindergehäuses 74 führt zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit der Luft, mit der diese über die Zylinderköpfe 66 und Zylinder 52 hinwegströmt. Dadurch wird eine verbesserte Ableitung der Hitze erzielt.

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Claims

Ansprüche

( 1. !Kolbenverdichter, bestehend aus einem Motor mit einer Motorwel-— Ie, durch welche in einem Kurbelgehäuse ein Kurbeltrieb für mindestens ein Paar von in einem Zylindergehäuse angeordneten Zylindern gebildet ist und bei dem ein Gebläse zur Kühlung des Kolbenverdichters auf der Kotorwelle angeordnet ist, durch das Kühlluft in ein Terdicht_er^gehäuse ansaugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (72) aus zwei Ventilatoren mit entgegengesetzter Einlaßseite (72a,72b) besteht und zur ersten Einlaßseite (72a) eine Luftverbindung von mindestens einer motorseitigen Yentilationsöffnung (50 ) des Kurbelgehäuses (44) durch das Kurbelgehäuse (44) hindurch gebildet ist, während zur zweiten Einlaßseite (72b) eine Luftverbindung durch Öffnungen (76) in einer Stirnwand des Zylindergehäuses (74) vorgesehen ist.

2, Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Motorwelle (12) ein Schwungrad (20) innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist.

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3· Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Kurbelgehäuse (44) angesaugte Luft mittels des Zylinder gehäuses (74) zur Kühlung den Zylindern (52) zugeführt ist.

4. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichne, t, daß der Motor (1O) in einem Ventilatorgehause (14) Mittel zum Kühlen des Motors durch Blasen von Luft über das Gehäuse des Motors (1O) hat.

5. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Ventileinheit (56) für die Zylinder (52) vorgesehen ist, welche zungenförmige Ventilglieder (60) zum Steuern der Einlaß- und Auslaßöffnungen hat, wobei die zungenförmigen Ventilglieder (60) an einer Dichtung (58) befestigt sind, die zwischen zwei Ventilplatten (64) angeordnet ist, welche polierte Oberflächen haben, um in dichtenden Kontakt mit den Ventilgliedern (βθ) gelangen zu können, wobei die Dicke der Dichtung.(53) den Hubweg der Ventilglieder (60) bestimmt.

6. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (52) eine innere Zylinderlauffläche hat, die mit Fluorkohlenstoff imprägniert ist.

7. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (52) aus Gußeisen besteht und seine innere Lauffläche nickelbeschichtet ist, wobei die Beschichtung mit Fluorkohlenstoff imprägniert ist.

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8. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (40) des Kolbens (38) und die Einge (42) der Kolben (38) Fluorkohlenstoff enthalten.

9· Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (42) der Kolben (38) aus einer Legierung bestehen, die Bronze, MoIydisulfide und Fluorkohlenstoff enthält.

10. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (40) der Kolben (38) aus Koksmehl und Fluorkohlenstoff besteht.

11. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylindergehäuse (74) Leiteinrichtungen zum Umlenken d?r Luft hin zu den Zylindern (52) vorgesehen sind.

12. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zylindergehäuse (74) die Strömungsgeschwindigkeit der Luft über die Zylinder (52) und Zylinderköpfe (66) erhöht ist.

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L e e r s e i t e