Hubkolbenkompressor

Abstract

 Der Kompressor enthält mindestens ein für Hochdruck ausge­legtes Kolben/Zylinder-Aggregat mit einem in einem Zylin­dereinsatz (26) geführten Kolben (8), welcher über einen im Zylindergehäuse in Richtung der Längsachse (11) des Zylin­ders (4) verschiebbar geführten Verbindungsteil (Joch 22) mit einer Kurbelwelle (17) gekoppelt ist. Der Kolben (8) ist mit dem Verbindungsteil (22) über eine Halterung (61) gekoppelt, welche quer zur Längsachse (11) verlaufende Relativbewegungen des Verbindungsteils (22) gegenüber dem Kolben (8) zulässt. Entsprechend wird eine von Schwingungen des Antriebsteils (Joch 22) unbeeinflusste Führung des Kol­bens (8) erzielt, der mit dem Zylindereinsatz (26) einen jeweils über den ganzen gemeinsamen Längenabschnitt offe­nen, von Schmiermittel freien Ringspalt begrenzt. Diese Ausführung gestattet die Ausbildung einer trockenlaufenden Spaltringdichtung zwischen Kolben (8) und Zylindereinsatz (26), welche auch bei Drücken von über 60 bar die Abdich­tung des Kompressionsraums (34) gewährleistet. Vorzugsweise sind der Kolben (8) und der Zylindereinsatz (26) je aus einem verschleissfesten, metallischen oder keramischen Werkstoff hergestellt. Die erfindungsgemässe Ausführung ist insbesondere für Kleinkompressoren geeignet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor für Hoch­druck, mit mindestens einem in einem Zylindergehäuse aus­gebildeten Zylinder und einem in diesem trockenlaufend geführten Kolben, welcher über einen im Zylindergehäuse in Richtung der Längsachse des Zylinders verschiebbar geführ­ten Verbindungsteil mit einer Kurbelwelle einer Antriebs­einrichtung gekoppelt ist.

[0002] Bei einem ist aus der EP-Patentanmeldung 0 269 082 (P.6073) bekannten, vierstufigen Kleinkompressor der genannten Art wird Erdgas in einem die Enddruckstufe bil­denden Zylinder/Kolben-Aggregat von einem Druck von z.B. 60 bar auf einen Druck von z.B. 180 bar verdichtet. Trok­kenlaufende Kompressoren mit für Hochdruck von über 60 bar ausgelegten Zylinder/Kolben-Aggregaten sind bisher mit konstruktiv relativ aufwendigen Dichtungs- und Schmieran­ordnungen ausgeführt, welche zudem eine relativ häufige Wartung erfordern.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbeson­dere in dieser Hinsicht verbesserten Hochdruck-Hubkolben­kompressor der eingangs genannten Art in einer einfachen Bauweise zu schaffen, welche insbesondere bei Ausführun­gen, die für einen Hochdruck von z.B. bis 500 bar ausge­legt sind, einen automatischen Betrieb des Kolbenkompres­sors mit relativ langen Wartungsintervallen gewährleistet.

[0004] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die erfin­dungsgemäss vorgesehene Halterung wird auf einfache Weise, insbesondere ohne zusätzliche, aufwendige Führungseinrich­tung, eine Entkoppelung des Kolbens von gegebenenfalls auftretenden, quer zur Längsachse des Zylinders wirksamen Schwingungen des im Zylindergehäuse gleitend geführten Verbindungsteils erzielt, so dass eine von derartigen Schwingungen unbeeinflusste Parallelführung des Kolbens im Zylinder, und damit die Ausbildung einer trockenlaufenden Spaltringdichtung mit entsprechend geringem Spiel zwischen Kolben und Zylinder gewährleistet wird.

[0005] In den abhängigen Ansprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung hervorgehoben.

[0006] Die Ausführung nach Anspruch 4 ergibt eine trockenlaufende Spaltringdichtung, welche sich, innerhalb eines betriebs­mässig vorbestimmten Temperaturbereichs, durch ein im we­sentlichen konstantes, minimales Spiel zwischen Kolben und Zylinder, und damit durch einen entsprechend geringen Leckageverlust auszeichnet, der während der Betriebsdauer im wesentlichen konstant bleibt.

[0007] Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

[0008] Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen erfindungsge­mäss ausgeführten Hubkolbenkompressor in einem durch zwei Horizontalebenen geführten Schnitt.

[0009] Der dargestellte Kompressor, ein Kleinkompressor weist vier Zylinder 1, 2, 3 und 4 auf, in denen Kolben 5, 6, 7 und 8 geführt sind. Die Zylinder 1 und 3 weisen eine in der Zeichnungsebene liegende, gemeinsame horizontale Achse 10 auf, während die Zylinder 2 und 4 auf einer gegenüber der Zeichnungsebene zurückversetzten gemeinsamen horizon­talen Achse 11 angeordnet sind. Die Kolben 5 und 7 sind über ein ihre Kolbenstangen 12 bzw. 13 verbindendes Joch 14 mit einem Gleitstück 15 gekoppelt, welches auf einem Kurbelzapfen 16 einer vertikal angeordneten Kurbelwelle 17 gelagert ist. Die Kurbelwelle 17 ist mit einem nicht dar­gestellten Motor, z.B. einem Elektromotor, verbunden. Das Gleitstück 15 ist zwischen zwei im Joch ausgebildeten Füh­rungsbahnen 18 quer zur Achse 10 verschiebbar geführt. Die Kolben 6 und 8 sind über ein ihre Kolbenstangen 20 bzw. 21 verbindendes Joch 22 mit einem auf dem Kurbelzapfen 16 gelagerten, nicht dargestellten zweiten Gleitstück gekop­pelt, welches in dem gegenüber dem Joch 14 um 90° versetz­ten Joch 22 quer zur Achse 11 verschiebbar geführt ist.

[0010] Die Kolben 5, 6, 7 und 8 sind Zylindereinsätzen 23, 24, 25 und 26 geführt und begrenzen in den durch lösbar be­festigte Zylinderdeckel 27, 28, 29 und 30 abgeschlossenen Zylindern 1, 2, 3 und 4 je einen Kompressionsraum 31, 32, 33 bzw. 34. Der Kompressionsraum 31 des die erste Verdich­tungsstufe bildenden Zylinders 1 ist durch eine Stirnplat­te 35 begrenzt, die mit mehreren, z.B. vier, je einer Durchtrittsöffnung zugeordneten Druckventilen 37 versehen ist, von denen nur eines dargestellt ist. Der Kolben 5 ist mit entsprechenden, je einer Durchtrittsöffnung zugeordne­ten Saugventilen 41 versehen, durch welche jeweils während des Saughubes des Kolbens 5 eine Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 31 und einem von diesem durch den Kolben 5 getrennten zentralen Raum 43 hergestellt wird, der an eine nicht dargestellte Zuführleitung für das zu kompri­mierende Erdgas angeschlossen ist.

[0011] In den Zylindern 2 und 3 sind die Kompressionsräume 32 und 33 je durch eine Stirnplatte 46 begrenzt, welche mit einem zentralen Druckventil 37 und einer Anzahl, z.B. vier, Saugventilen 41 versehen ist, von denen ebenfalls jeweils nur eines dargestellt ist.

[0012] Im Zylinder 4 der für den Enddruck ausgelegten Verdich­tungsstufe ist ein Druckventil 37 in einer im Zylinder­deckel 30 ausgebildeten Bohrung angeordnet, welche über einen Anschlussnippel 50 mit einer vom Kompressor wegfüh­renden Druckleitung 51 in Verbindung steht. Ein Saugventil 41 ist in einer entsprechenden Bohrung angeordnet, welche über einen Nippel 52 an einen mit dem Kompressionsraum 33 verbundenen Strömungskanal 58 angeschlossen ist.

[0013] Entsprechende Druck- und Saugventile, deren Ausbildung nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind z.B. in der CH-Patentanmeldung 02 209/88-9 (P.6196) näher be­schrieben.

[0014] Während des Saughubes des in seiner oberen Totpunktlage dargestellten Kolbens 5 wird das dem zentralen Raum 43 mit einem Druck von z.B. 10 mbar zugeführte Erdgas durch die geöffneten Saugventile 41 angesaugt. Während des Druckhu­bes wird das Gas auf einen Druck von z.B. 5 bar verdichtet und durch die geöffneten Druckventile 37 in einen Zylin­derraum 55 gefördert und über einen Strömungskanal 56 und einen Ringkanal 48 der durch den Zylinder 2 gebildeten zweiten Verdichtungsstufe zugeführt.

[0015] Das beim Saughub des Kolbens 6 in den Kompressionsraum 32 angesaugte Gas wird beim folgenden Druckhub auf einen Druck von z.B. 20 bar verdichtet und bei geöffnetem Druck­ventil 37 über einen Strömungskanal 57 der durch den Zy­linder 3 gebildeten dritten Verdichtungsstufe zugeführt, deren Kolben 7 in der unteren Totpunktlage dargestellt ist. Das beim Saughub des Kolbens 7 in den Kompressions­raum 33 angesaugte Gas wird beim folgenden Druckhub auf einen Druck von z.B. 60 bar verdichtet und über den Strö­mungskanal 58 sowie durch im Nippel 52 ausgebildete Ver­bindungskanäle der durch den Zylinder 4 gebildeten End­druckstufe zugeführt.

[0016] Das beim Saughub des Kolbens 8 in den Kompressionsraum 34 angesaugte Gas wird beim Druckhub auf einen Druck von z.B. 180 bar verdichtet und bei geöffnetem Druckventil 37 über die Druckleitung 51 einem nicht dargestellten Gasbrenn­stoffbehälter zugeführt, der z.B. als Treibstofftank eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein kann.

[0017] Die Kolben 5, 6, 7 und 8 sind in den Zylindereinsätzen 23, 24, 25 und 26 trockenlaufend geführt, wobei die Kolben 5, 6 und 7 je mit einem Dichtungsring 53 und einem Führungs­ring 54 aus einem für den Trockenlauf geeigneten, selbst­schmierenden Material, z.B. Teflon, versehen sind, während der Kolben 8 mit der Bohrung des Zylindereinsatzes 26 einen jeweils über die ganze gemeinsame Länge offenen Ring­spalt begrenzt. Die Kolben 5, 6 und 7 sind je mit dem zuge­hörigen Joch 14 bzw. 22 starr verbunden, während der Kolben 8 der für den Enddruck ausgelegten Verdichtungsstufe mit dem Joch 22 über eine mit diesem starr verbundene Halte­rung 61 gekoppelt ist, welche Relativbewegungen des Joches 22 quer zur Längsachse 11 des Kolbens 8 zulässt.

[0018] Die Halterung 61 enthält eine am Joch 22 befestigbare Hül­se 62 und ein in dieser rotationsbeweglich angeordnetes, darstellungsgemäss durch eine Kugel 63 gebildetes Stütz­element, über welches eine am Joch 22 ausgebildete Stütz­partie mit einem an der Kolbenstange 21 des Kolbens 8 aus­gebildeten, in die Hülse 62 einführbaren Kopfteil 64 quer zur Längsachse 11 verschiebbar zusammenwirkt. Der Kopfteil 64 ist durch eine die Kolbenstange 21 mit Spiel umgebende Kragenpartie 65 der Hülse 62 quer zur Längsachse 11 beweg­lich gehalten.

[0019] Das Joch 22 ist über die Hülse 62 in einem im Zylinder­block des Kompressors gehaltenen Führungsteil 66 in Rich­tung der Längsachse 11 verschiebbar geführt. Ueber die Kugel 63 ist das Joch 22 in Richtung der Längsachse 11 spielfrei mit dem unter dem jeweiligen Betriebsdruck ste­henden Kolben 8 verbunden. Durch die rotationsbeweglich gelagerte Kugel 63 wird zugleich eine Uebertragung von Querkräften des einerseits durch den Kolben 6 im Zylin­dereinsatz 24 und anderseits durch die Hülse 62 im Füh­rungsteil 66 mit entsprechendem seitlichem Spiel gleitend geführten Joches 22 auf den Kolben 8 verhindert. Es hat sich gezeigt, dass durch die Halterung 61 auch bei einer Ausführung, bei der die Differenz zwischen dem Durchmesser der Bohrung des Zylindereinsatzes 26 und dem Durchmesser des Kolbens 8 etwa 0,004 bis 0,01 mm beträgt, eine von Schwingungen des Joches 22 unbeeinflusste, sichere Paral­lelführung des Kolbens 8 gewährleistet werden kann. Diese Anordnung gestattet die Ausbildung einer trockenlaufenden Spaltringrichtung zwischen dem Kolben 8 und dem Zylinder­einsatz 26, welche auch bei der in der Enddruckstufe der dargestellten Ausführung zwischen dem Kompressionsraum 34 und dem zentralen Raum 43 auftretenden Druckdifferenz von 180 bar - oder bei noch höheren Druckdifferenzen von z.B. bis 500 bar - die erforderliche Abdichtung des Kompressionsraums 34 gewährleistet. Dabei resultiert die Dichtwirkung aus der Reibung des den engen Ringspalt durch­strömenden Gases.

[0020] Der Kolben 8 und der Zylindereinsatz 26 sind je aus einem verschleissfesten Material hergestellt. Bei der dargestell­ten Ausführung besteht der Kolben 8 aus Hartmetall, während der Zylindereinsatz 26 aus einem entsprechend verschleiss­festen keramischen Material, z.B. Siliciumcarbid oder Sili­ciumnitrid, ausgeführt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffi­zient zumindest annähernd dem Wärmeausdehnungskoeffizien­ten des Materials des Kolbens 8 entspricht. Dadurch wird bei der betriebsbedingten Erwärmung der im Trockenlauf zusammenwirkenden Teile über den ganzen betriebsmässigen Temperaturbereich -- z.B. bei Umgebungstemperaturen zwi­schen -40°C und +50°C -- das vorgesehene Spiel zwischen dem Kolben 8 und dem Zylindereinsatz 26, und damit der durch dieses Spiel bedingte Leckageverlust im wesentlichen konstant gehalten. Bei den in der vorstehend beschriebenen Ausführung bestehenden Druckverhältnissen kann auf diese Weise ein zwischen dem Kompressionsraum 34 und dem zentra­len Raum 43 sich einstellender, betriebsmässig akzeptabler Leckageverlust von z.B. weniger als 10 % konstant gehalten werden.

[0021] Der Zylindereinsatz 26, der unmittelbar in eine Bohrung des Zylinderdeckels 30 eingesetzt oder, wie dargestellt, in einer in eine entsprechende Bohrung einsetzbaren Büchse 67 angeordnet sein kann, ist im Zylinderdeckel 30 durch einen in diesen einschraubbaren Haltering 68 befestigt. Der in der Büchse 67 angeordnete, z.B. durch eine Schrumpfverbindung gehaltene Zylindereinsatz 26 kann auch aus einem Material, z.B. Zirkonoxid, ausgeführt sein, des­sen Wärmeausdehnungskoeffizient grösser ist als derjenige des Materials des Kolbens 8. Bei geeigneter Wahl des Materials der Büchse 67, z.B. einer Ni-Fe-Legierung,ist die Büchse 67 als Ausgleichshülse verwendbar, durch welche die Wärmeausdehnung des Zylindereinsatzes 26 an der Innen­seite jeweils bis auf ein der Wärmeausdehnung des Kolbens 8 entsprechendes, vorbestimmtes Mass kompensiert und damit das vorgesehene Spiel zwischen dem Kolben 8 und dem Zylin­dereinsatz 26 im wesentlichen konstant gehalten werden kann.

[0022] Bei den in Bereich der Zylinder 1, 2 und 3 je zwischen den Kompressionsräumen 31, 32 und 33 und dem zentralen Raum 43 auftretenden, relativ geringen Druckdifferenzen von 5 bis 60 bar - oder bis z.B. 80 bar - erübrigt sich die für die Enddruckstufe vorgesehene Verwendung von Bauteilen aus verschleissfestem Material. Bei diesen Druckdifferenzen wird auch die Funktion der zwischen den Kolben 5, 6 und 7 und den zugehörigen Zylindereinsätzen 23, 24, 25 gebilde­ten trockenlaufenden Kolbenringdichtungen durch Schwingun­gen des über die Kolben 5 und 7 in den Zylindereinsätzen 23 und 25 geführten Joches 14 sowie des über den Kolben 6 und die Hülse 62 im Zylindereinsatz 24 bzw. im Führungs­teil 66 geführten Joches 22 nicht nennenswert beeinträch­tigt, so dass keine unzulässigen Leckageverluste auftre­ten.

[0023] Es sind zahlreiche abgewandelte Ausführungsformen der Er­findung möglich. So kann in der Halterung anstelle eines kugelförmigen Stützelementes ein anderer rotationsbeweg­licher Wälzkörper, z.B. ein solcher mit zylindrischen oder mit kalottenförmigen Stützflächen, vorgesehen sein. An­stelle der in der vereinfacht dargestellten Halterung 61 vorgesehenen einteiligen Hülse 62 kann auch eine am Joch 22 in geeigneter Weise anbringbare zweiteilige Hülse oder eine andere, konstruktiv abweichende Halteanordnung vorge­sehen sein.

[0024] Der Kolben 8 kann mit einem relativ weichen Kern und einer diesen umgebenden Beschichtung aus Hartmetall oder einem entsprechenden verschleissfesten Material ausgeführt sein oder auch aus einem keramischen Material bestehen. Es kann auch zweckmässig sein, der Zylindereinsatz 26 aus Hart­metall auszuführen. Ebenso können für die Ausführung des Kolbens 8 und/oder des Zylindereinsatzes 26 andere als die beschriebenen Materialien, z.B. Metallverbindungen, welche entsprechende Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, verwendet werden. Mindestens eine der Laufflächen des Kol­bens 8 und des Zylindereinsatzes 26 kann ferner durch eine dünne homogene Schicht aus amorphem diamantartigem Kohlen­stoff ("amorphous diamondlike carbon") gebildet sein. Der­artige Schichten können jeweils in einem kostengünstigen, für die Massenfertigung geeigneten Verfahren und bei einer das Trägermaterial schondenden, realtiv geringen Behand­lungstemperatur, z.B. ca. 200°C, auf den betreffenden Teil bzw. auf beide Teile aufgebracht werden. Bei annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zylinderwerk­stoffs und des Kolbenwerkstoffs ist auch eine Ausführung möglich, bei der eine derartige Schicht unmittelbar auf die Zylinderbohrung aufgebracht ist.

[0025] Die Erfindung ist nicht auf Kompressoren der vorstehend beschriebenen und dargestellten Art beschränkt, sondern ist auch für andere, ein- oder mehrstufige Ausführungen, sowie für andere Anwendung, z.B. an Atemluftkompressoren oder Kompressoren für die Tieftemperaturtechnik, geeignet. Bei mehrstufigen Kompressoren kann auch mindestens ein weiteres Kolben/Zylinder-Aggregat mit einem erfindungsge­mäss ausgebildeten Halterung und/oder mit aus verschleiss­festem Werkstoff bestehenden zusammenwirkenden Teilen aus­geführt sein.

Ansprüche

1. Hubkolbenkompressor für Hochdruck, mit mindestens einem in einem Zylindergehäuse ausgebildeten Zylinder (4) und einem in diesem trockenlaufend geführten Kolben (8), welcher über einem im Zylindergehäuse in Richtung der Längsachse (11) des Zylinders (4) verschiebbar geführ­ten Verbindungsteil (Joch 22) mit einer Kurbelwelle (17) einer Antriebseinrichtung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) mit dem Verbindungsteil (22) über eine Halterung (61) ge­koppelt ist, welche mindestens ein relativ zum Kolben (8) und zum Verbindungsteil (Joch 22) quer zur Längs­achse (11) des Zylinders (4) bewegliches Stützelement enthält, und dass der Zylinder (4) mit dem Kolben (8) einen jeweils über den ganzen gemeinsamen Längenab­schnitt offenen, von Dichtungsmitteln und von Schmier­mittel freien, engen Ringspalt begrenzt, der eine vor­bestimmte Leckströmung des verdichteten Mediums zulässt.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement mit dem Kolben (8) und mit dem Verbindungsteil (Joch 22) je über eine konvexe Stütz­fläche zusammenwirkt.

3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, dass das Stützelement durch einen zwischen den Kolben (8) und den Verbindungsteil (Joch 22) einsetz­baren Wälzkörper, z.B. eine Kugel (63), gebildet ist, welcher in der Halterung (61) rotationsbeweglich ge­lagert ist.

4. Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) und der Zylinder (4) je mit einer aus einem verschleissfesten Material gebildeten Lauffläche ausgeführt sind, und dass zumindest der die Lauffläche enthaltende Teil des Zylinders (4) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wär­meausdehnungskoeffizient zumindest annähernd gleich oder grösser ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs des Kolbens (8).

5. Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) zumindest in seinem die Lauffläche enthaltenden Randbereich aus Hartmetall besteht und dass die Lauffläche des Zylinders (4) an einem Zylin­dereinsatz (26) ausgebildet ist, der aus einem kerami­schen Material besteht.

6. Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylindereinsatz (26) in einer in den Zylinder (4) einsetzbaren, die Wärmeausdehnung des Zylinderein­satzes (26) zumindest teilweise kompensierenden Büchse (67) angeordnet ist.

7. Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Zylinders (4) bzw. Zylinderein­satzes (26) und dem Aussendurchmesser des Kolbens (8) im Bereich von etwa 0,004 bis 0,01 mm liegt.

8. Kompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff im we­sentlichen aus Siliciumcarbid besteht.

9. Kompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff im we­sentlichen aus Siliciumnitrid besteht.

10. Kompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff im we­sentlichen aus Zirkonoxid besteht.

11. Verwendung eines Kompressors nach einem der vorangehen­den Ansprüche als Enddruckstufe einer aus mehreren in Reihe geschalteten Zylinder/Kolben-Aggregaten bestehen­den Anordnung zum Verdichten von in einem Fahrzeug als Treibstoff zu speicherndem Gas, insbesondere Erdgas.

Zeichnung