Taumelscheibenkompressor

Abstract

 Ein Taumelscheibenkompressor (101) umfaßt wenigstens eine Taumelscheibe (017). Dieser sind wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen zugeordnet sind. Der Taumelscheibenkompressor (101) bildet einen mehrstufigen Kompressor, bei dem die Kolben-Zylinder-Anordnungen im Förderstrom in Serie geschaltet sind und der Hubraum der hintereinander geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen abnimmt.

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kompressoren, und beispielsweise auf einen Taumelscheibenkompressor sowie auf die Verwendung eines Taumelscheibenkompressors zur Kompression von Erdgas.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Taumelscheibenmaschinen sind dem Wesen nach Kolbenmaschinen, bei denen der oder die Kolben nicht durch eine Kurbel angetrieben werden, sondern durch eine Taumelscheibe, also eine auf einer Achse schrägsitzende Scheibe, die bei Drehung der Achse "taumelt", d.h. bei der die Punkte in der Nähe des Randes nicht, wie bei einer radialen Scheibe, in einer einzigen Radialebene umlaufen, sondern in einer zur Achse geneigten Drehebene. Dieser Taumelscheibe gegenüber ist für jeden Kolben ein zur Antriebsachse im wesentlichen paralleler, ortsfester Pleuel angeordnet, und der oder die Pleuel werden somit durch die taumelnde Scheibe vorangedrückt oder zurückgezogen.

[0003] In der Praxis werden solche Taumelscheibenmaschinen hauptsächlich als Pumpen (d.h. als Förderer für inkompressible Fluide, also Flüssigkeiten) eingesetzt. Die grundsätzliche Verwendung der Taumelscheibenbauart für Pumpen ist beispielsweise aus Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", 17. Auflage, Springer-Verlag 1990, Seiten H4-H8 bekannt.

[0004] Daneben haben Taumelscheibenmaschinen auch als Kompressoren (d.h. Verdichter für kompressible Fluide, d.h. Gase) Verwendung gefunden, und zwar für Kältemaschinen. So sind Kühlkompressoren in Taumelscheibenbauart beispielsweise aus der US-Patentschrift 4,008,005 sowie der EP 0 530 730 A1 bekannt. Bei diesen Taumelscheibenmaschinen ist die eigentliche Taumelscheibe nicht drehbar, wird aber zur Erzeugung der Taumelbewegung von einem drehbaren Taumelelement gesteuert. Zur wenigstens teilweisen Kompensierung eines allgemein bei Taumelscheibenmaschinen gegebenen Nachteils von unausgeglichenen Kräften und Momenten (die im wesentlichen von Gaskräften bei der Kompression und der plötzlichen Entspannung aufgrund Auslaßventilöffnung sowie von Massekräften der hin- und hergehenden Kolben herrühren) wird in den genannten Druckschriften vorgeschlagen, eine größere Zahl (dort: fünf bzw. sechs) von Kolben-Zylinder-Anordnungen in regelmäßiger Verteilung über den Umfang anzuordnen. Die mehreren Zylinder sind hinsichtlich des Förderstroms des zu komprimierenden Gases parallel geschaltet. Generell haben diese bekannten Taumelscheibenpumpen ein relativ geringes Verdichtungsverhältnis, da ein Kühlmittel im allgemeinen auf höchstens 2 bar verdichtet wird.

[0005] Ein weiterer Kältekompressor in Taumelscheibenbauart ist aus der EP 0 599 642 A1 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, die Kolben der Kolben-Zylinder-Anordnungen mit Kolbenringen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auszurüsten.

[0006] Schließlich sind auch Sonderbauformen von Taumelscheibenkompressoren bekannt, bei denen sich die Kolben-Zylinder-Anordnungen nicht nur nach einer Seite der Taumelscheibe, sondern nach zwei Seiten erstrecken, so aus der US-Patentschrift 5,611,675 (mit einer Taumelscheibe), der DE-Patentschrift 530 071 und der FR-Patentschrift 918.307 (mit zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzenden, relativ zueinander geneigten Taumelscheiben).

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

[0007] Die Erfindung betrifft einen Taumelscheibenkompressor, der wenigstens eine Taumelscheibe umfaßt. Dieser sind wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen zugeordnet sind. Der Taumelscheibenkompressor bildet einen mehrstufigen Kompressor, bei dem die Kolben-Zylinder-Anordnungen im Förderstrom in Serie geschaltet sind und der Hubraum der hintereinander geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen abnimmt.

[0008] Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren, bei dem ein solcher Taumelscheibenkompressor zum Komprimieren von Erdgas auf einen Druck von wenigstens 200 bar verwendet wird.

[0009] Ein weiterer Aspekt betrifft einen Taumelscheibenkompressor, der zwei Taumelscheiben umfaßt, denen jeweils wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen zugeordnet sind. Die beiden Taumelscheiben werden jeweils durch einen Antriebsachsstummel angetrieben, wobei die beiden Antriebsachsstummel koaxial angeordnet und gegenläufig sind.

[0010] Weitere Merkmale sind in den offenbarten Vorrichtungen implizit enthalten oder werden für den Fachmann aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen und der angefügten Zeichnung ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0011] Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung beschrieben, in der:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Doppel-Taumelscheibenkompressors, teilweise im Längsschnitt, zeigt;

Fig. 2 eine Ansicht einer Hälfte des Doppel-Taumelscheibenkompressors von Fig. 1, aber in größerem Darstellungsmaßstab ist; und

Fig. 3 die Verwendung des Kompressors der Fig. 1 und 2 zur Komprimierung von Erdgas für die Betankung eines Fahrzeugs mit CNG (Compressed Natural Gas - komprimiertem Erdgas) veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0012] Die Fig. 1 und 2 zeigen einen beispielhaften Taumelscheibenkompressor. Vor einer detaillierten Beschreibung der Fig. 1 und 2 folgen zunächst verschiedene Erläuterungen zu den Ausführungsformen.

[0013] Mit einigen der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen wird ein Kompressor in Taumelscheibenbauart bereitgestellt, welcher zur Erzielung eines großen Gesamt-Verdichtungsverhältnisses geeignet ist. Hierzu ist der Taumelscheibenkompressor bei einigen Ausführungsformen als mehrstufiger Kompressor ausgebildet, bei dem mehrere Kolben-Zylinder-Anordnungen im Förderstrom in Serie geschaltet sind und der Hubraum der hintereinander geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen abnimmt. Mehrstufige Kompressoren sind grundsätzlich bekannt (z.B. aus Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", 17. Auflage, Springer-Verlag 1990, Seiten P23-P33); es handelt sich bei den bekannten mehrstufigen Kompressoren aber durchweg um Kolbenverdichter in der Kurbelwellen-Bauart.

[0014] Bei einigen der Ausführungsformen sind die in Serie geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen serienschaltungsmäßig durch Kanal- und Ventilanordnungen verbunden.

[0015] Durch die mehrstufige Ausbildung werden erhebliche Enddrücke erzielt: Wenn man vom Atmosphärendruck ausgeht und Effekte der Gaserwärmung und -kühlung sowie Gasreibunsverluste vernachlässigt, werden bei manchen Ausführungsformen mit beispielsweise einem Verdichtungsverhältnis von ungefähr 1:4 pro Zylinder eine Druckerhöhung auf 16 bar bei zwei und 256 bar bei vier Zylindern in Serienschaltung erzielt. Tatsächlich sind die erreichten Drücke wegen der hier vernachlässigten Einflüsse üblicherweise geringer. Bei manchen Ausführungsformen ist zur Erzielung einer wirksamen Zwischenkühlung eine Zwangskühlung der Zylinder und/oder der diese verbindenden Kanäle vorgesehen, z.B. durch Zwangsbelüftung mit Umgebungsluft oder Kühlung durch Kühlwasser etc. Bei anderen Ausführungsformen ist nur eine Konvektionskühlung der Kolben und/oder der Kanäle durch Umgebungsluft vorgesehen.

[0016] Bei manchen Ausführungsformen sind z.B. vier Kolben-Zylinder-Anordnungen an einer Taumelscheibe angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen sind hingegen pro Taumelscheibe nur zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen vorgesehen, was an sich weniger günstig hinsichtlich des Ausgleichs der Kräfte und Momente ist. Bei einigen dieser Ausführungsformen ist jedoch - was unten noch näher erläutert wird - eine koaxial angeordnete zweite Taumelscheibe vorgesehen, die gegenläufig zur ersten Taumelscheibe angetrieben wird und mit dieser in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. So kann das Gehäuse die Kräfte und Momente der beiden Taumelscheiben-Anordnungen aufnehmen und diese - da sie aufgrund der Gegenläufigkeit zumindest teilweise vorzeichenmäßig entgegengesetzt sind - teilweise gegeneinander kompensieren.

[0017] Nimmt man wiederum vereinfachend, es käme bei der Kompression zu keiner Gaserwärmung, es gäbe keine Kühlung und keine Gasreibungsverluste, so sind - wegen der Erhaltung des Massenstroms des komprimierten Gases - die hintereinander geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen so zu dimensionieren, daß (bei gleicher Hubzahl pro Zeiteinheit für die einzelnen Stufen) das Einlaßzylindervolumen einer betrachteten Stufe im wesentlichen gleich dem Auslaßzylindervolumen der vorausgehenden Stufe ist. Entsprechend nimmt bei manchen der Ausführungsformen der Hubraum der hintereinander geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen ab. Tatsächlich trifft die obige Annahme wegen der genannten Einflüsse nicht exakt, sondern nur näherungsweise zu (siehe z.B. Dubbel, "Taschenbuch für den Maschinenbau", 17. Auflage, Springer-Verlag 1990, Seiten P30-P31); es bleibt aber an der grundsätzlichen Abnahme der Hubräume von stufe zu Stufe.

[0018] Bei einigen dieser Ausführungsformen wird diese Abnahme des Hubraums dadurch erzielt, daß die einer Taumelscheibe zugeordneten Kolben-Zylinder-Anordnungen - die wegen ihrer Zuordnung zu ein- und derselben Taumelscheibe den gleichen Hub haben - abnehmende Durchmesser aufweisen.

[0019] Es gibt auch Ausführungsformen mit zwei Taumelscheiben, bei denen beispielsweise zunächst die Kolben-Zylinder-Anordnungen der ersten Taumelscheibe und daran anschließend die Kolben-Zylinder-Anordnungen der zweiten Taumelscheibe mit abnehmendem Hubraum in Serie geschaltet sind. Bei einigen dieser Ausführungsformen erstreckt sich die Hubraumabnahme durch Verringerung des Zylinderdurchmessers über die Taumelscheiben hinweg; d.h. die im Förderstrom erste Kolben-Zylinder-Anordnung der zweiten Taumelscheibe hat einen kleineren Durchmesser als die im Förderstrom letzte Kolben-Zylinder-Anordnung der ersten Taumelscheibe.

[0020] Da bei einem Taumelscheibenkompressor der Zylinderhub durch die Neigung der Taumelscheibe relativ zur Rotationsachse bestimmt ist, kann ein kleinerer Hubraum auch durch eine geringe Schrägstellung einer Taumelscheibe erzielt werden. Bei manchen dieser Ausführungsformen ist zur Erzielung des abnehmenden Hubraums die zweite Taumelscheibe weniger schräg als die erste Taumelscheibe angeordnet.

[0021] Bei manchen dieser Ausführungsformen sind auch beide Maßnahmen der Hubraumabnahme miteinander kombiniert, d.h. die zweite Taumelscheibe ist zwecks Hubverringerung weniger schräg als die erste Taumelscheibe angeordnet, und zusätzlich weist die erste Kolben-Zylinder-Anordnung der zweiten Taumelscheibe einen kleineren Durchmesser als die letzte Kolben-Zylinder-Anordnung der ersten Taumelscheibe auf.

[0022] Bei manchen der mehrstufigen Ausführungsformen sind die Kompressorstufen für die mehrstufige Druckerhöhung so dimensioniert, daß - z.B. ausgehend von Atmosphärendruck (1 bar) - eine Druckerhöhung auf wenigstens 200 bar, bei anderen Ausführungsformen sogar auf wenigstens 400 bar erfolgt. Der Kompressor ist damit besonders für die Kompression von bei Raumtemperatur praktisch nicht verflüssigbaren Gasen, wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Edelgase und insbesondere Erdgas (hauptsächlich Methan) verwendbar.

[0023] Bei einem Kompressor kommt es wegen der typischerweise schlagartigen Öffnung des Auslaßventils bei oder um vor Erreichen der maximalen Verdichtung in einem Zylinder zu einem schlagartigen Abfall des Gasdrucks in dem Zylinder, was bei einem Taumelscheibenkompressor zu einem Momentenruck um die Antriebsachse (d.h. die Längsachse) des Verdichters führt. Wie oben bereits erwähnt wurde sind bei einigen der Ausführungsformen zwei Taumelscheiben vorgesehen, die jeweils durch einen Antriebsachsstummel gegenläufig angetrieben sind. Die beiden Antriebsachsstummel sind dabei z.B. koaxial angeordnet. Bei mancher dieser Ausführungsformen sind die beiden gegenläufigen Taumelscheiben in einer solchen Winkelbeziehung miteinander gekoppelt und die Kolben-Zylinder-Anordnungen der beiden Taumelscheiben so miteinander gepaart, daß die Auslaßzeitpunkte von Zylindern, die solche Zylinderpaare bilden, jeweils zusammenfallen. Beispielsweise fallen die Auslaßzeitpunkte der ersten und dritten Stufe zusammen, und diejenigen der zweiten und vierten Stufe. Wegen dieser Synchronizität und der Gegenläufigkeit der beiden Antriebsachsstummel treten die Momentenrucke im wesentlichen gleichzeitig auf und haben entgegengesetzte Vorzeichen, so daß mit dieser Anordnung die genannten Momentenrucke zumindest teilweise kompensiert werden.

[0024] Die genannte Anordnung zweier gegenläufig angetriebener Taumelscheiben wirkt sich auch bei anderen als mehrstufigen Taumelscheibenkompressoren im Sinne einer Ruckminderung aus, z.B. bei solchen, bei denen die mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen zu einer Stufe gehörend parallel geschaltet sind, oder bei denen mehrere unabhängige Gasströme von den einzelnen Zylindern einstufig komprimiert werden, beispielsweise für die Anwendung in Klimakompressoren oder ähnlichem. Die Zylinderdurchmesser und -hübe der einzelnen Kolben-Zylinder-Anordnungen sind bei solchen einstufigen Ausführungsformen i.a. gleich. Obwohl der gegenwärtige Anspruch 1 auf einen mehrstufigen Kompressor gerichtet ist, offenbaren die vorliegenden Anmeldungsunterlagen somit auch allgemein einen Taumelscheibenkompressor mit gegenläufigen angetriebenen Taumelscheiben, gleich ob dieser mehr- oder einstufig ausgebildet ist. Die Anmelderin behält sich daher vor, einen unabhängigen Patentanspruch auf die eine Anordnung mit zwei gegenläufig angetriebenen Taumelscheiben zu richten, der nicht verlangt, daß der Taumelscheibenkompressor ein mehrstufiger Kompressor ist. Ein solcher unabhängiger Anspruch würde z.B. lauten: Taumelscheibenkompressor, der zwei Taumelscheiben umfaßt, denen jeweils wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen zugeordnet sind, wobei die beiden Taumelscheiben jeweils durch einen Antriebsachsstummel angetrieben werden, wobei die beiden Antriebsachsstummel koaxial angeordnet und gegenläufig sind. Die Merkmale des jetzigen Anspruchs 1, der übrigen Patentansprüche und der Beschreibung/Zeichnung können als abhängige Ansprüche auf diesen unabhängigen Anspruch rückbezogen werden.

[0025] Bei einigen der Ausführungsformen mit gegenläufig angetriebenen Taumelscheiben sitzt am inneren Ende der Antriebsachsstummel jeweils ein schräg verzahntes Antriebsrad, zwischen denen ein schräg verzahntes Antriebsritzel zum gleichzeitigen, gegenläufigen Antrieb beider Taumelscheiben angeordnet ist.

[0026] Bei einigen der Ausführungsformen sind die Taumelscheiben selbst nicht drehbar. Sie werden von einem drehbaren Taumelelement gesteuert, ähnlich wie dies z.B. bei der eingangs genannten US-Patentschrift 4,008,005 der Fall ist. Bei einer solchen Anordnung wirken auf die Pleuel der Zylinder keine durch die eigentliche Drehung hervorgerufenen Lager- oder Reibungskräfte, sondern nur Lager- bzw. Reibungskräfte aufgrund der Taumelbewegung.

[0027] Bei einigen Ausführungsformen greift nicht das Pleuel unmittelbar am Kolben an (wie dies im Stand der Technik üblich ist). Vielmehr ist bei diesen Ausführungsformen zwischen Pleuel und Kolben jeweils eine Kolbenführungsstange angeordnet. Diese ist z.B. in einer Paßbohrung, die in einem Innendeckel eingebracht ist, passend geführt. Die Kolbenführungsstange verhindert, daß - die bei stehender Taumelscheibe ohnehin bereits geringen - Querkräfte vom Pleuel auf den Kolben übertragen werden.

[0028] Bei manchen Ausführungsformen sind einige oder alle der Lager zwischen relativ drehbaren Teilen Schrägrollenlager, die durch ihre Schrägstellung zur Aufnahme von Axialkräften geeignet sind. Beispielsweise ist/sind eines oder mehrere der folgenden Lager als Schrägrollenlager ausgebildet: (i) Lager einer nicht-drehbaren Taumelscheibe gegenüber einem drehbaren Taumelelement (bei Ausführungsformen mit nicht-drehbarer Taumelscheibe); (ii) Lager einer drehbaren Taumelscheibe (bei Ausführungsformen mit drehbarer Taumelscheibe) oder eines drehbaren Taumelelements (bei Ausführungsformen mit drehbarem Taumelelement) gegenüber einem Gehäuse; und (iii) Lager eines Antriebsachsstummels gegenüber einem Gehäuse (bei Ausführungsformen mit Antriebsachsstummeln). Bei manchen Ausführungsformen sind die Schrägrollenlager relativ zur Drehachse schräggestellte Nadellager, bei anderen handelt es sich um Lager, deren Rollen eine Schrägung aufweisen, so daß sie auch ohne Schrägstellung der Rollenachsen zur Aufnahme von Axialkräften fähig sind, wie Kegelrollenlager und Ballenlager (wobei auch gemischte Formen, z.B. einige Lager sind schräggestellte Nadellager, andere Kegelrollenlager, vorkommen). Bei manchen Ausführungsformen umfaßt die Lagerung der Antriebsachse bzw. jedes der Antriebsachsstummel zwei einander mit Abstand entgegengestellte Schrägrollenlager. Bei manchen Ausführungsformen sind sowohl das Taumelelement bzw. die Taumelscheibe als auch der Antriebsachsstummel im Gehäuse schrägrollengelagert, und das Taumelelement bzw. die Taumelscheibe und der Antriebsachsstummel sind zueinander axial verschieblich (jedoch drehfest) verbunden, so daß Taumelelement bzw. Taumelscheibe und Antriebsachsstummel hinsichtlich der Axialkräfte voneinander entkoppelt sind. Die Schrägrollenlagerung der Taumelscheibe im Taumelelement und diejenige des Taumelscheibenelements im Gehäuse sind in besonderer Weise geeignet, die im Rahmen der Kolbenbetätigung auftretenden Kraftkomponenten in Axial- und Radialrichtung aufzunehmen.

[0029] Ein bekanntes Problem bei Kompressoren besteht darin, daß Schmiermittel von den Zylinderwänden in das zu komprimierende Gas verdampfen kann. Außerdem kann es bei höheren Kompressionstemperaturen zu Schmiermittelzersetzung kommen. Bei einigen der Ausführungsformen sind daher die Kolben und/oder die Wände der Zylinder wenigstens zum Teil mit reibungsminderndem Kunststoff, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgerüstet. Bei den Kolben kann es sich beispielsweise um PTFE-Kolbenringe handelt, bei der Zylinderwand um Zylinderbüchsen. Eine solche reibungsvermindernde Ausrüstung erlaubt, bei manchen Ausführungsformen auf eine Schmierung der Kolben im Zylinder durch Flüssigschmierstoff (z.B. Öl) vollständig zu verzichten, oder die Schmiermittelmenge zumindest zu reduzieren.

[0030] Einige Ausführungsformen betreffen Verfahren, bei denen ein Taumelscheibenkompressor der hier beschriebenen Art zum Komprimieren von bei Raumtemperaturen praktisch nicht verflüssigbaren Gasen, wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Edelgas und/oder Erdgas auf einen Druck von wenigstens 200 bar, bevorzugt auf wenigstens 400 bar, verwendet wird. Eine besonders geeignete Verwendung liegt in der Kompression von Erdgas (hauptsächlich Methan) zur Betankung von CNG-betriebenen Fahrzeugen (CNG =Compressed Naural Gas).

[0031] Nun zurückkehrend zu den Fig. 1 und 2, zeigen diese, teilweise im Längsschnitt, ein Ausführungsbeispiel eines Doppel-Taumelscheibenkompressors 101, d.h. eines Taumelscheibenkompressor mit zwei Taumelscheibenanordnungen 102, 103, wobei Fig. 2 im wesentlichen nur eine der beiden Taumelscheibenanordnungen, nämlich 103, zeigt.

[0032] Die beiden Taumelscheibenanordnungen 102, 103 sind, einander antriebsseitig zugewandt, in einem, im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse untergebracht, das in seiner Gesamtheit mit 006 bezeichnet ist und aus mehreren Teilen zusammenmontiert ist.

[0033] In das Gehäuse 006 führt mittig und rechtwinklig zu dessen Längsachse, auf der zwei Antriebsachsstummel 009 liegen, eine Hauptantriebsachse. Von den beiden Antriebsachsstummeln 009 ist hier nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist, wie auch im folgenden viele Teile der beiden Taumelscheibenanordnungen 102, 103 nur bei der einen oder anderen Taumelscheibenanordnung bezeichnet sind, da die Teile ja bei beiden ähnlich oder identisch, wenn auch zueinander spiegelbildlich, auftreten. Auf deren äußeren Ende (auf das Gehäuse 006 bezogen) der Hauptantriebsachse ist ein Antriebsflansch zur Verbindung mit einer Antriebseinrichtung mittels einer Mutter 005 und einer Keilverbindung aufgesetzt. In der Wand des Gehäuses 006, die hier eben ausgebildet ist, ist ein Lagerträger 002 eingesetzt, der zwei Schrägrollenlager 003, 004 aufnimmt. Auf dem inneren Ende der Hauptantriebsachse sitzt ein Kegelritzel 001.

[0034] Das Kegelritzel 001 steht in Eingriff mit zwei Kegelrädern 007. Diese sitzen auf einem Flansch 008, der jeweils auf die Antriebsachsstummel 009 aufgeschraubt ist. Die Antriebsachsstummel 009 sind jeweils mittels zweier Schrägrollenlager 011, 012 gelagert, die in einem zylindrischen Lagerträger 010 befestigt sind, der auf eine Querplatte, die das Gehäuse 006 durchsetzt, angeschraubt ist.

[0035] Auf der anderen Seite dieser Querplatte sitzt ein Lagersockel 013, auf dem sich ein rotierendes Taumelelement 015 über ein Schrägrollenlager 014 abstützt. Die Mitte des Lagersockels 013 ist dabei ausgespart, um das vom Kegelrad 007 wegweisende Ende des Achsstummels 009 ohne Berührung hindurchtreten zu lassen, auf dem das Taumelelement 015 aufgekeilt und durch eine Schraubenmutter festgehalten ist.

[0036] Auf dem freien, außenliegenden Flansch des Taumelelements 015, der zur Mittelachse des Achsstummels 009 schrägsteht, befindet sich ein weiteres Schrägrollenlager 016, das sich auf eine nicht-drehbare Taumelscheibe 017 abstützt, die ihrerseits durch eine Kegelverzahnung 018 und eine mittige Kugel 019 auf einem ortsfesten Teil 020 abgestützt ist. Das ortsfeste Teil 020 ist zwischen zwei Wänden 021 befestigt, die ihrerseits auf einer Querwand aufgeschraubt sind.

[0037] Die Kegelverzahnung 018 läßt zu, daß die Taumelscheibe 017 der Taumelbewegung des Taumelelements 015 folgt, ohne aber dessen Drehung mitzumachen, denn der eine Teil der Verzahnung 018 ist ortsfest und kann sich daher nicht drehen, so daß sich wegen des Zahneingriffs auch die Taumelscheibe 017 nicht drehen kann, während die Kugel 019 die Kippbewegung zuläßt.

[0038] Auf der vom Taumelelement 015 abgewandten Seite der Taumelscheibe 017 sitzen radial gegenüberliegend und mit gleichem Abstand vom Mittelpunkt der Kugel 019 zwei kugelige, durch einen Deckel 022 abgedeckte Aussparungen. Der Deckel 022 weist eine Mittelöffnung auf, ist also nur als Kranz ausgebildet, und ist ebenfalls rund um diese Öffnung kugelig ausgehöhlt

[0039] In die Aussparungen ist das kugelige Ende eines Pleuels 023 eingesetzt, das durch den Deckel 022 gehalten wird. Das Pleuel 023 endet auch auf der anderen Seite in einer Kugel. Diese andere Kugel befindet sich in einer ählichen, kugeligen Aussparung, die von einem Deckel 024 abgedeckt ist und die jeweils im Ende einer Kolbenstange 025 ausgebildet ist, die ihrerseits in einer Paßbohrung 036 geführt ist, die parallel zum Antriebsachsstummel 009 verläuft. Die Paßbohrungen 036 sind in der vorgenannten Querwand ausgebildet und mit PTFE (Polytetrafluoräthylen) oder dergleichen beschichtet, um eine völlig geradlinige Bewegung der Kolbenstangen 025 zu erzwingen, ohne auf diese eine wesentliche Reibung aufzubringen.

[0040] Wenn das Kegelritzel 001 rotiert, drehen sich die beiden Taumelelemente 015 mit gleicher Drehzahl, aber gegenläufig, wodurch die Kolbenstangen 025 eine Hin- und Herbewegung durchführen: die beiden, in der Zeichnung obenliegenden, miteinander fluchtenden Kolbenstangen 025 bewegen sich zueinander gleichsinnig, aber gegensinnig zu den in der Zeichnung untenliegenden, ebenfalls miteinander fluchtenden und zueinander gleichsinnig bewegenden Kolbenstangen 025.

[0041] Die kugeligen Enden der Pleuel 023 und/oder die diese aufnehmenden Aussparungen sind reibungsmindernd beschichtet, etwa mit PTFE, und laufen, ebenso wie die Kolbenstangen, im Betrieb trocken. Auch die Kugel 019 und/oder die sie aufnehmenden Abschnitte der Verzahnung 018 sind reibungsmindernd beschichtet, etwa mit PTFE, wie es bei manchen Ausführungsformen auch bei der Verzahnung 018 und beim Kegeltrieb 001/007 der Fall ist. Die Schrägrollenlager sind schmierungsfrei bzw. abgedichtet und dauergeschmiert, so daß der Taumelscheibenkompressor 101 im Betrieb trocken läuft. Bei anderen Ausführungsformen ist aber zumindest der mittlere Teil des Gehäuses mit dem Kegeltrieb 001, 007 und den Schrägrollenlagern 011, 012 mit Fettschmierung oder einem Ölsumpf versehen, der durch die Lager 014 auch den Rest des bisher beschriebenen Taumelscheibenkompressors schmiert. Jenseits der Paßbohrung 036 laufen bei der dargestellten Ausführungsform die nachfolgenden Teile trocken.

[0042] Die Kolben-Zylinder-Anordnungen 026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034; bilden in der genannten Bezugszeichen-Reihenfolge die erste, zweite, dritte und vierte Kompressionsstufe. Sie sind hierzu im Gasstrom hintereinander geschaltet, und weisen von Stufe zu Stufe abnehmende Hubräume auf. Die Hubraumabnahme wird bei der gezeigten Ausführungsform durch eine Verringerung des Zylinderdurchmessers von Stufe zu Stufe und außerdem durch einen geringeren Hub bei der dritten und vierten als bei der ersten und zweiten Stufe erzielt.

[0043] Die Kolben 026, 027, 038, 039, werden von den Kolbenstangen 025 angetrieben werden und sind an diesen mittels einer Mutter 035, 045, 046 festgehalten. Die Kolben 026, 027, 038, 039 sind mit Kolbenringen aus PTFE oder dergleichen ausgerüstet. Bei manchen Ausführungsformen sind - zusätzlich oder alternativ - die inneren Oberflächen der Zylinder 031, 032, 033, 034 mit PTFE oder dergleichen beschichtet.

[0044] Die Zylinder 031, 032, 033, 034 sind jeweils durch zwei Rohrstücke gebildet, die in einer Querwand (die die Paßbohrungen 036 aufweist) angeordnet sind. Die Querwand steht quer auf einer Bodenplatte 042. Die jeweils zwei Rohrstücke sind zur Bildung eines durchgehenden Zylinders 031, 032, 033, 034 und zur Zylinderbefestigung an der Querwand mit Anschlußflanschen 029, 030, 041, 042 untereinander bzw. mit der Querwand verbunden. Am äußeren Ende sind die Zylinder 031, 032 der ersten und zweiten Stufe (d.h. die rechten Zylinder) und die Zylinder 033, 034 der dritten und vierten Stufe (d.h. die linken Zylinder) durch je einen Deckel 028, 040 nach außen verschlossen, in denen Ventile mit von Stufe zu Stufe abnehmendem freien Ventilquerschnitt sitzen. Vor dem Deckel 028, 040 befindet sich jeweils noch ein Zylinderendflansch 047, 048, der die Enden der beiden rechten Zylinder 031, 032 bzw. linken Zylinder 033, 034 gemeinsam aufnimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Ventile gasgesteuerte Ventile, z.B. kombinierte Drucköffnungs-iRückschlagventile, die in Einlaßrichtung freigeben, so daß beim Einwärtshub Gas in den jeweiligen Zylinder einströmt, und die in Außlaßrichtung erst bei Erreichen eines bestimmten (von Stufe zu Stufe steigenden) Drucks öffnen, der typischerweise erst kurz vor dem äußeren Totpunkt erreicht wird. Bei anderen Ausführungsformen sind gesonderte Einlaß- und Auslaßventile vorgesehen. Bei manchen Ausführungsformen sind die Ventile nicht gasgesteuert, sondern mechanisch durch einen Ventilsteuermechanismus, der seine Bewegung von der Drehung des Taumelscheibenantriebs ableitet.

[0045] In jeden Deckel 028, 040 münden zwei Rohrleitungen 049, 050 bzw. 051, 052 ein. In einem externen Rohrverbindungssystem sind diese Rohrleitungen untereinander und mit einem Niederdruck-Gaseingang und einem Hochdruck-Gasausgang so verbunden, daß das Gas vom Niederdruck-Gaseingang zur ersten Stufe, von dort zur zweiten Stufe etc. und schließlich von der vierten Stufe zum Hochdruck-Gasausgang fließt. Bei Ausführungsformen mit gemeinsam für den Ein- und Auslaß genutzten Ventilen und Rohrleitungsabschnitten sorgen Wegeventile (z.B. gasgesteuerte Wegeventile nach der Art von Rückschlagventilen) dafür, daß der Gasstrom je nach Richtung unterschiedliche Wege nimmt (z.B. bei Einlaß in die zweite Stufe den Weg von der ersten Stufe zur zweiten Stufe, hingegen beim Auslaß aus der zweiten Stufe den Weg von der zweiten Stufe zur dritten Stufe). Bei Ausführungsformen mit getrennten Ventilen und Rohrleitungungen für den Ein- und Auslaß sind i.a. keine solchen Wegeventile vorhanden; dort ist vielmehr die Rohrleitung vom Eingang durch die einzelnen Stufen zum Ausgang als Einfachschleife geführt. Bei manchen Ausführungsformen werden die Rohrleitungen zwischen den Stufen und zum Ausgang gekühlt, zwecks besserer Zwischenkühlung des zu komprimierenden Gases.

[0046] In der in Fig. 1 dargestellten Stellung befinden sich alle Kolben 026, 027, 038, 039 an einem ihrer beiden Totpunkte, nämlich Kolben 026, 039 der ersten und dritten Stufe an ihrem inneren und die Kolben 027, 038 der zweiten und vierten Stufe am äußeren Totpunkt. Ordnet man einer vollen Hin- und Herbewegung eines Kolbens einen Winkel von 360° zu, so beträgt die Winkeldifferenz zwischen den Kolben aufeinander folgender Stufen somit jeweils 180°. Diese Winkeldifferenz ergibt einen günstigen Gasfluß durch die verschiedenen Stufen. Die Relativstellungen der Zylinder können aber auch anders gewählt sein.

[0047] Wie man Fig. 1 entnehmen kann ist die Taumelscheibe 017 der dritten und vierten Stufe weniger schräg zur Antriebsachse (d.h. dem Achsstummel 009) gestellt, als die Taumelscheibe 017 der ersten und zweiten Stufe. Dies wird erreicht durch eine entsprechend unterschiedliche Formgebung der Taumelelemente 015, und zwar ist der Längenunterschied der Schenkel in der Schnittdarstellung der Taumelelemente 015 in Fig. 1 bei dem Taumelelement 015 der dritten und vierten Stufe geringer als bei derjenigen der ersten und zweiten Stufe. Entsprechend der unterschiedlichen Schrägstellung der Taumelscheiben 017 ist der Hub der Kolben 039, 038 der dritten und vierten Stufe geringer als derjenige der Kolben 026, 027 der ersten und zweiten Stufen. Entsprechend sind auch die Zylinder 033, 034 der dritten und vierten Stufe kürzer als die Zylinder 026, 027 der ersten und zweiten Stufe.

[0048] Dieser gezeigte Kompressor mit zwei Taumelscheiben ist insgesamt in einem Gehäuse gelagert, das durch die Querwände und Deckel trotz seiner Länge besonders verwindungssteif ist. Obwohl der wesentliche Teil der Kompressoren trocken läuft, fressen die mit PTFE beschichteten Oberflächen nicht, auch wenn Temperaturen erreicht werden, bei denen sich Schmieröl bereits zersetzen würde.

[0049] Mit diesem einfachen, kleinen und (bei PTFE-Beschichtung reibungsarmen) Mehrstufen-Kompressor können Gase auf Drücke von 200 bis zu 400 bar verdichtet werden. Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Verwendung des Taumelscheibenkompressors 101 von Fig. 1 und 2 für die Komprimierung von Erdgas für die Betankung eines erdgasbetriebenen Kraftfahrzeugs 114. Zu einer Tankstelle 110 für CNG (Compressed Natural Gas) wird Erdgas über eine Niederdruck-Versorgungsleitung 111 herangeführt. Es kann sich hierbei z.B. um eine End-Versorgungsleitung eines Erdgas-Verteilungsnetzes handeln, in der üblicherweise ein geringer Überdruck in der Größenordnung von 0,1 bar herrscht. Alternativ ist es auch möglich, eine derartige CNG-Tankstelle 110 an eine Versorgungsleitung anzuschließen, die zwecks Erzielung einer höheren Förderkapazität einen höheren Förderdruck aufweist, der typischerweise einige Bar Überdruckbeträgt kann, etwa 2,5 bar Überdruck in dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel. Ein Doppel-Taumelscheibenkompressor 101 der oben beschriebenen Art komprimiert das Niederdruck-Erdgas mit seinen vier Stufen abnehmenden Hubraums auf hohen (Absolut-)Druck, z.B. auf 200 bar. Das Hochdruck-Ergas fließt über eine Hochdruck-Leitung 112 zu einer CNG-Schnittstelle 113. An diese kann ein CNG-Tank 115 des Fahrzeugs 114 zur Betankung mit CNG druckdicht angeschlossen werden.

[0050] Die beschriebenen Ausführungsformen stellen somit einen verbesserten Hockdruck-Kompressor bereit, der z.B. als Ausrüstung für CNG-Tankstellen geeignet is.

[0051] Alle Publikationen und existierende Systeme, die in dieser Beschreibung genannt sind, werden per Bezugnahme in diese einbezogen.

[0052] Obgleich hier bestimmte Produkte und Verfahren, die in Übereinstimmung mit den Lehren der Erfindung gebaut wurden, beschrieben worden sind, ist der Schutzbereich dieses Patents nicht hierauf beschränkt. Im Gegenteil, das Patent deckt alle Ausführungsformen der Lehren der Erfindung ab, die wörtlich oder unter der Äquivalenzdoktrin in den Schutzbereich der angefügten Ansprüche fallen.

Ansprüche

1. Taumelscheibenkompressor, umfassend wenigstens eine Taumelscheibe (017), der wenigstens zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen (026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034) zugeordnet sind, wobei der Taumelscheibenkompressor einen mehrstufigen Kompressor bildet, bei dem die Kolben-Zylinder-Anordnungen (026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034) im Förderstrom in Serie geschaltet sind und der Hubraum der hintereinander geschalteten Kolben-Zylinder-Anordnungen (026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034) abnimmt.

2. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 1, bei welchem die einer Taumelscheibe (017) zugeordneten Kolben-Zylinder-Anordnungen (026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034) zur Erzielung des abnehmenden Hubraums abnehmende Durchmesser aufweisen.

3. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend wenigstens zwei Taumelscheiben (017) mit jeweils zugeordneten Kolben-Zylinder-Anordnungen (026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034), wobei zur Erzielung des abnehmenden Hubraums die im Förderstrom erste Kolben-Zylinder-Anordnung (039, 033) der zweiten Taumelscheibe (017) einen kleineren Durchmesser als die im Förderstrom letzte Kolben-Zylinder-Anordnung (027, 032) der ersten Taumelscheibe aufweist.

4. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend wenigstens zwei Taumelscheiben (017) mit jeweils zugeordneten Kolben-Zylinder-Anordnungen (026, 031; 027, 032; 039, 033; 038, 034), wobei zur Erzielung des abnehmenden Hubraums die zweite Taumelscheiben (017) weniger schräg als die erste Taumelscheibe angeordnet ist.

5. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die einzelnen Kompressorstufen für eine mehrstufige Druckerhöhung bei dem zu komprimierenden Gas auf wenigstens 200 bar so dimensioniert sind.

6. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend zwei Taumelscheiben (017), die jeweils durch einen Antriebsachsstummel (009) angetrieben sind, wobei die Antriebsachsstummel (017) koaxial angeordnet und gegenläufig sind.

7. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 6, wobei auf dem inneren Ende der Antriebsachsstummel (009) jeweils ein schrägverzahntes Antriebsrad (007) sitzt, zwischen denen ein schrägverzahntes Antriebsritzel (001) zum gleichzeitigen, gegenläufigen Antrieb beider Taumelscheiben (017) angeordnet ist.

8. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Taumelscheiben (017) nichtdrehbar sind und von einem drehbaren Taumelelement (015) gesteuert werden.

9. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend Lager, die zwischen relativdrehbaren Teilen angeordnet sind, wobei wenigstens eines der folgenden Lager als Schrägrollenlager ausgebildet ist: (i) Lager einer nichtdrehbaren Taumelscheibe (017) gegenüber einem drehbaren Taumelelement (015), (ii) Lager eines drehbaren Taumelelements (015) gegenüber einem Gehäuse (006), und (iii) Lager eines Antriebsachsstummels (009) gegenüber einem Gehäuse (006).

10. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Kolben (026, 027, 038, 09) und/oder die Wände der Zylinder (031, 032, 033, 034) wenigstens zum Teil mit reibungsminderndem Kunststoff ausgerüstet ist.

11. Verfahren, bei dem ein Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Komprimieren von Erdgas auf einen Druck von wenigstens 200 bar verwendet wird.

Zeichnung