Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Kolbenverdichter werden in allen technischen Bereichen eingesetzt, wo ein Bedarf an Druckluft besteht. In erster Linie kommen solche Kolbenverdichter in der Fahrzeugindustrie für die Luftfederung und/oder Luftdämpfung zur Anwendung.
Ein solcher, Kolbenverdichter in einer zweigestuften Ausführung ist beispielsweise in der DE 197 15 291 A1 beschrieben. Dieser Kolbenverdichter besteht aus einem Verdichtergehäuse, in dem eine zylindrische Niederdruckkammer mit einem größeren Niederdmckkolben und eine zylindrische Hochdruckkammer mit einem kleineren Hochdruckkolben ausgebildet sind. Dabei befinden sich die Niederdruckkammer und die Hochdruckkammer auf einer gemeinsamen Achse und der Niederdruckkolben und der Hochdruckkolben sind zu einem einstückigen Druckkolben mit einer gemeinsamen Kolbenstange ausgeformt. Die Niederdruckkammer besitzt einen Einlass mit einem Einlassrückschlagventil, die Hochdruckkammer besitzt einen Auslass mit einem Auslassrückschlagventil und beide Druckkammern sind durch einen Überströmkanal verbunden, in dem ein Überströmrückschlagventil angeordnet ist. In die gemeinsame Kolbenstange des Niederdruckkolbens und des Hochdruckkolbens greift in rechtwinkliger Ausrichtung ein Kurbelzapfen einer Kurbelwelle ein, die beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben wird und die ihre rotierende Bewegung in eine lineare Bewegung am einteiligen Druckkolben umwandelt. Aus dieser linearen Bewegung ergibt sich am Druckkolben eine oszillierende Bewegung.
Das Einlassrückschlagventil, das Auslassrückschlagventil und das Überströmrückschlagventil besitzen Dichtscheiben aus Federstahl, die, wie im Falle des Einlassrückscklagventiles und des Überströmrückschlagventiles, durch eine mittige Schraube befestigt sind und die in dichtender Weise mehrere auf einem Teilkreis angeordnete Strömungskanäle überdecken, oder die, wie im Fall des Auslassrückschlagventiles, durch eine seitlich versetzte Schraube gehalten wird und die einen daneben liegenden Strömungskanal abdichten.
Diese Rückschlagventile erfüllen ihre Aufgabe nur unzureichend. So ist festzustellen, dass die metallischen Dichtscheiben nicht ausreichend abdichten. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Schließkraft der Dichtscheiben ausschließlich durch die Eigenspannungen des Federstahles aufgebracht wird. Dieser Schließkraft wirkt oftmals noch eine Spannkraft entgegen, die von der Befestigungsschraube ausgeht und die im druckausgeglichenen Zustand eine glatte Auflage der Dichtscheibe verhindert. Undichtigkeiten treten auch dadurch auf, dass mit der Zeit Ermüdungserscheinungen an der Dichtscheibe auftreten und dass die Dichtscheiben aus diesem Grund nicht einwandfrei an der Dichtfläche anliegen. Zum Ausgleich dieser nachteiligen Wirkungen werden die Dichtscheiben in der Regel stärker ausgeführt. Das erhöht aber wiederum den Einbauraum einer solchen Dichtscheibe und verringert das Volumen der entsprechenden Druckkammer. Solche Kolbenverdichter sind dann nicht sehr leistungsfähig. Die durch die Verstärkung der Dichtscheibe erzielte höhere Schließkraft erhöht aber gleichzeitig die erforderliche Öffnungskraft für den freien Durchfluss, die vom Systemdruck aufgebracht werden muss. Auch das verringert den Wirkungsgrad des Kolbenverdichters erheblich.
Es hat sich auch gezeigt, dass das Material der Dichtscheiben wegen der hohen Frequenzen des Kolbenverdichters recht schnell ermüdet und daher nur eine geringe Lebensdauer der Dichtscheiben zu verzeichnen ist.
Letztlich ist auch die Herstellung der Dichtscheiben aus Federstahl sehr aufwendig, da einerseits das Material schwer zu bearbeiten ist und andererseits hohe Anforderungen an die Qualität der Dichtfläche an der Dichtscheibe gestellt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Kolbenverdichter zu entwickeln, dessen Rückschlagventile eine sehr geringe Schließkraft aufweisen und gleichzeitig eine hohe Dichtigkeit gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7. Der neue Kolbenverdichter beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
Nach der Fig. 1 besteht ein zweistufiger Kolbenverdichter in seinen Hauptbestandteilen aus dem eigentlichen Kolbenverdichter 1, einem Antriebsmotor 2 und einer Lufttrocknereinheit 3.
Zum Kolbenverdichter 1 gehört ein Ventilgehäuse 4 mit einem zylindrischen, im Durchmesser gestuften Innenraum, der sich in eine Niederdruckkammer 5 mit einem größeren Durchmesser und in eine Hochdruckkammer 6 mit einem kleineren Durchmesser aufteilt. Die Niederdruckkammer 5 ist mit einem Ventilgehäuseboden 7 und die Hochdruckkammer 6 mit einem Ventilgehäusedeckel 8 dichtend nach außen verschlossen. Dabei ist der Ventilgehäusedeckel 8 mit dem Gehäuse der Lufttrocknereinheit 3 verbunden oder einstückig ausgeführt. In den Innenraum des Ventilgehäuses 4 ist ein einstückiger Verdichterkolben 9 eingepasst, der dementsprechend aus einem Niederdruckkolben 10 mit einem größeren Durchmesser, einem Hochdruckkolben 11 mit einem kleineren Durchmesser und einer gemeinsamen Kolbenstange 12 besteht. Im äußeren Bereich der Kolbenstange 12 ist ein Kurbelgehäuse ausgebildet, in das in rechtwinkliger Ausrichtung das Pleuel 13 der Kurbelwelle 14 des Antriebsmotors 2 eingreift.
Die Niederdruckkammer 5 und die Hochdruckkammer 6 besitzen Verbindungen untereinander und nach außen.
So befindet sich gemäß der Fig. 2 im Ventilgehäuseboden 7 des Kolbenverdichters 1 ein Einlassrückschlagventil 15, das die Niederdruckkammer 5 mit der Atmosphäre verbindet. Zu diesem Einlassrückschlagventil 15 gehören mehrere, auf einer gemeinsamen Kreisbahn angeordnete Einlassöffnungen 16 und eine, alle Einlassöffnungen 16 abdeckende, erste Verschlussmembran 17. Dabei ist die Verschlussmembran 17 in eine innenliegende Senkbohrung eingepasst, die einen balligen oder einen winkligen Bohrungsgrund aufweist. Ein mittig angesetztes und pilzartiges Befestigungselement 18 fixiert die Verschlussmembran 17 und hält die Verschlussmembran 17 unter einer leichten Spannung auf den Grund der Senkbohrung. Dabei ist diese durch das Befestigungselement 18 eingebrachte Spannung so gewählt, dass die erste Verschlussmembran 17 in ihrer Position drehfähig ist und sich im druckausgeglichenen Zustand nicht von den Einlassöffnungen 16 abhebt. Außerdem sind die Verschlussmembran 17 und das Befestigungselement 18 bündig in die Senkbohrung eingelassen, damit kein Volumen der Niederdruckkammer 5 verloren geht.
So befindet sich weiterhin im Verdichterkolben 9 ein durchgängiger Überströmkanal 19, der die Niederdruckkammer 5 und die Hochdruckkammer 6 miteinander verbindet. Gemäß der Fig. 3 ist im hochdruckseitigen Mündungsbereich dieses Überströmkanals 19 ein Überströmrückschlagventil 20 angeordnet, das die Niederdruckkammer 5 und die Hochdruckkammer 6 funktionsbedingt miteinander verbindet oder trennt. Dazu ist die Mündung des Überströmkanals 19 zu einer im Querschnitt nierenförmigen Kammer 21 aufgeweitet, wobei die Nierenform einer Kreisbahn folgt.
Das Überströmrückschlagventil 20 besteht aus einer Topfmanschette 22 aus Kunststoff, die mit ihrem Boden auf die Stirnfläche des Hochdruckkolben 11 aufliegt und an der Innenwand der Hochdruckkammer 6 dichtend anliegt. Im Bereich des Überströmkanals 19 ist die Topfmanschette 22 durchbrochen.
Zum Überströmrückschlagventil 20 gehört weiterhin ein besonders ausgeführter Ventilhalter 23, der passend in den Innenraum der Topfmanschette 22 eingesetzt ist und der in der Fig. 4 näher gezeigt wird. Dieser Ventilhalter 23 besitzt demnach eine äußere Form, die auf den Innenraum der Topfmanschette 22 ausgerichtet ist. Von der Seite der Hochdruckkammer 6 ist eine zylindrische Ausnehmung 24 eingebracht, deren Achse um einen bestimmten Exzentrizitätsbetrag von der Achse des Hochdruckkolbens 11 entfernt angeordnet ist. Dieser Exentrizitätsbetrag sowie die Größe und die radiale Lage der zylindrischen Ausnehmung 24 gewährleisten, dass die zylindrische Ausnehmung 24 in Überdeckung mit der nierenförmigen Kammer 21 des Überströmkanals 19 liegt. Der Ventilhalter 23 ist außerhalb der zylindrischen Ausnehmung 24 mit verteilt angeordneten Befestigungselementen 25 zur lagebestimmenden Verankerung mit dem Hochdruckkolben 11 ausgerüstet.
Im äußeren radialen Bereich der zylindrischen Ausnehmung 24 befinden sich eine erste Durchgangsbohrung 26 mit einem kleineren Durchmesser und eine zweite Durchgangsbohrung 27 mit einem größeren Durchmesser, die einen gleichen oder unterschiedlichen Abstand zur Achse der zylindrischen Ausnehmung 24 aufweisen und die in ihrer Lage und in ihrer Ausdehnung so ausgelegt sind, dass sie mit der nierenförmigen Kammer 21 des Überströmkanals 19 in Überdeckung liegen. Neben der ersten Durchgangsbohrung 26 und der zweiten Durchgangsbohrung 27 können in gleicher Art weitere Durchgangsbohrungen eingesetzt werden. In die zylindrische Ausnehmung 24 ist eine frei aufliegende zweite Verschlussmembran 28 mit einem solchen Spiel eingepasst, dass sie in Drehrichtung und in axialer Richtung frei beweglich ist und der ringförmige Zwischenraum zwischen der zweiten Verschlussmembran 28 und der Innenwand der zylindrischen Ausnehmung 24 als Luftdurchtritt geeignet ist. Zur Verringerung der Reibungswiderstände sind die benachbarten Kanten der zylindrischen Ausnehmung 24 und der zweiten Verschlussmembran 28 abgerundet bzw. gebrochen ausgeführt.
Die zylindrische Ausnehmung 24 ist weiterhin mit einem Anschlaggitter 29 abgedeckt, das einerseits den axialen Hub der zweiten Verschlussmembran 28 begrenzt und andererseits dem freigegebenen Druckluftstrom einen weitestgehend freien Durchtritt gewährt. Dabei ist die Struktur der Gitterstreben frei gewählt, wobei die Durchbrüche im Anschlaggitter 29 so klein ausgeführt sind, dass sich die zweite Verschlussmembran 28 nicht verklemmen kann. Die Durchbrüche können auch unterschiedlich groß sein.
Weiterhin besitzt die Hochdruckkammer 6 ein Auslassrückschlagventil 30 zur Verbindung der Hochdruckkammer 6 mit einer Verbraucherleitung. Dieses Auslassrückschlagventil 30 ist nach der Fig. 3 zwischen dem Ventilgehäuse 4 und dem Ventilgehäusedeckel 8 angeordnet und besteht aus einer am Umfang eingespannten Ventilplatte 31 und einer dritten Verschlussmembran 32. Die Ventilplatte 31 ist gegenüber dem Ventilgehäuse 4 und gegenüber dem Ventilgehäusedeckel 8 abgedichtet ausgeführt und besitzt mehrere auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnete Auslassöffnungen 33. Die dritte Verschlussmembran 32 ist als ein Ring gestaltet und besitzt demnach eine mittige Durchflussbohrung 34. Mit ihrem Umfang ist die dritte Verschlussmembran 32 zwischen der Ventilplatte 31 und dem Ventilgehäusedeckel 8 festgehalten, während die Durchflussbohrung 34 mit ihrem Durchmesser so ausreichend kleiner als der Teilkreisdurchmesser der Durchmesser der Auslassöffnungen ausgelegt ist, dass die Auslassöffnungen 33 von der dritten Verschlussmembran 32 voll überdeckt werden.
Die dritte Verschlussmembran 32 ist ohne konstruktive Vorspannung eingebaut, so dass sich die Schließkraft nur aus der materialspezifischen Eigenspannung ergibt.
Die erste Verschlussmembran 17 des Einlassrückschlagventiles 15, die zweite Verschlussmembran 28 des Überströmrückschlagventiles 28 und die dritte Verschlussmembran 32 des Auslassrückschlagventiles 30 bestehen aus Kunststoff, insbesondere aus einem elastischen Polymer, das in der Hauptsache eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt, hoch temperaturbeständig ist und elastische Eigenschaften mit Memory-Effekt aufweist.
Während des Betriebes wird die drehende Bewegung der vom Antriebsmotor 2 angetriebenen Kurbelwelle 14 über das Pleuel 13 in eine oszillierende Linearbewegung umgewandelt und auf den Ventilkolben 9 übertragen. Damit bewegen sich gleichermaßen der Niederdruckkolben 10 und der Hochdruckkolben 11 zwischen zwei gegenüberliegenden Umkehrpunkten und bilden so zwei sich im Volumen wechselweise verändernde Niederdruckkammer 5 und Hochdruckkammer 6.
Dabei entsteht bei einer sich vergrößernden Niederdruckkammer 5 ein solcher Unterdruck, der die erste Verschlussmembran 17 an seinem äußeren Umfang anheben und Außenluft durch die Einlassöffnungen 16 einströmen lässt. Dieser Öffnungsdruck ergibt sich aus der Summe der Materialspannung der Verschlussmembran 17 und der einbaubedingten Vorspannung an der Verschlussmembran 17. Gleichzeitig schließt der Unterdruck die zweite Verschlussmembran 28 des Überströmrückschlagventiles 20.
Am oberen Umkehrpunkt der Bewegung des Ventilkolbens 9 stellt sich an der ersten Verschlussmembran 17 ein ausgeglichener Druck zwischen der Niederdruckkammer 5 und der Atmosphäre ein, wodurch die Verschlussmembran 17 durch die genannten Kräfte der Vorspannung auf die Einlassöffnungen 16 gedrückt wird und diese verschließt. Auf Grund der optimalen Auswahl der Material- und Einbauspannungen treten einerseits beim Ansaugen geringste Durchflusswiderstände auf und schließt andererseits die erste Verschlussmembran 17 in kürzester Zeit nach dem Erreichen des oberen Umkehrpunktes. Das verbessert den Wirkungsgrad des Kolbenverdichters erheblich.
Mit der umgekehrten Bewegung des Ventilkolbens 9 wird die Niederdruckkammer 5 verkleinert, sodass die dort eingespannte Luft unter Druck durch den Überströmkanal 19 zur Hochdruckkammer 6 befördert wird. Dabei strömt die Luft zunächst in die nierenförmige Kammer 21 des Überströmkanales 19 und belastet von dort die zweite Verschlussmembran 28 im Bereich und im Umfang der ersten Durchgangsbohrung 26 und der zweiten Durchgangsbohrung 27. Damit wirkt über die erste Durchgangsbohrung 26 eine erste Öffnungskraft und über die zweite Durchgangsbohrung 27 eine zweite Öffnungskraft auf die zweite Verschlussmembran 28 ein, die beide parallel zueinander wirken. Diese beiden Kräfte sind so unterschiedlich, wie die Querschnitte der beiden Durchgangsbohrungen 26 und 27. Damit kommt die freiliegende zweite Verschlussmembran 28 in eine Schieflage und durch radiale Kraftkomponenten in eine radiale Drehbewegung, die von der kleineren Durchflussbohrung 26 zur größeren Durchflussbohrung 27 gerichtet ist und die die Lage der zweiten Verschlussmembran 28 zu den beiden Durchgangsbohrungen 26, 27 stetig verändert. Das verlängert die Lebensdauer der zweiten Verschlussmembran 28 entscheidend, da die Belastung des Materials der Verschlussmembran 28 umlaufend verteilt wird und somit eine vorzeitige Überlastung nur einer bestimmten Stelle der Verschlussmembran 28 vermieden wird. Eine solche Überlastung führt schnell zum Durchschlagen und zu einem Ausfall des Überströmrückschlagventiles 20. Die freiliegende zweite Verschlussmembran 28 setzt dem durchfließenden Druckluftstrom nur einen geringsten Widerstand entgegen.
Am unteren Umkehrpunkt der Bewegung des Ventilkolbens 9 stellt sich wieder ein ausgeglichener Druck zwischen der Niederdruckkammer 5 und der Hochdruckkammer 6 ein, der das Überströmrückschlagventil 20 schließen lässt. Durch die freie und reibungsarme Führung der zweiten Verschlussmembran 28 erfolgt die Schließung äußerst reaktionsschnell.
Mit der die Hochdruckkammer 6 verkleinernden Bewegung des Ventilkolbens 9 wird die in der Hochdruckkammer 6 eingeschlossene Druckluft über das Auslassrückschlagventil 30 verdrängt. Dabei passiert die Druckluft die von der dritten Verschlussmembran 32 freigegebenen Auslassöffnungen 33. Am oberen Umkehrpunkt der Bewegung des Ventilkolbens 9 schließt das Auslassrückschlagventil 30 wiederum äußerst reaktionssclmell.