Kompressor mit Druckbegrenzung

Die Erfindung betrifft eine Kompressoreinheit in einer tragbaren Druckluftquelle, welche einen über ein Schubkurbelgetriebe angetriebenen Hubkolbenverdichter mit einem in einem Zylinder oszillierend bewegten Kolben aufweist, der einen mit einem ersten Totluftvolumen versehenen Kompressionsraum begrenzt, wobei der Zylinder

ausgangsseitig durch einen Zylinderkopf mit Auslassventil verschlossen ist

Solche Kompressoreinheiten werden z. B. mit oder als Teil von Vorrichtungen zum Abdichten und Aufpumpen aufblasbarer Gegenstände, insbesondere zum Abdichten und Aufpumpen von Kraftfahrzeugreifen benötigt (Pannensets).

Diese tragbaren und leichten Vorrichtungen beinhalten die Kompressoreinheit als

Druckgasquelle auf, weisen weiterhin einen Dichtmittelbehälter für ein in den aufblasbaren Gegenstand einfüllbares selbsttätiges Dichtmittel auf, eine Ventil- und Verteilereinheit für Dichtmittel und Druckgas und sind mit einer an die Druckgasquelle anschließbaren Einlassleitung und einer an den aufblasbaren Gegenstand anschließbaren Auslassleitung versehen. Bei solchen Vorrichtungen ist der maximale Druck im System entweder durch den maximal erreichbaren Druck des Kompressors festgelegt, wobei der Maximaldruck dann bauartbedingt maßgeblich vom so genannten„Totvolumen" des Zylinders abhängt, oder wird durch ein Druckbegrenzungsventil bestimmt. Da mit den genannten Luftkompressoren während der Behebung einer Reifenpanne auch ein Dichtmittel in den Reifen gepresst wird, kann bei der Druckbegrenzung durch ein Überdruckventil in manchen Betriebszuständen durch Öffnen dieses Ventils Dichtmittel unter hohem Druck unerwünscht austreten und/oder in den Zylinder des Kompressors gelangen. Dieser Fall tritt z.B. ein, wenn das Reifenventil während der Befüllung mit Dichtmittel verstopft und sich im Luftkompressor so ein unzulässig hoher Druck aufbaut. Die bisher benutzten Begrenzung sventile öffnen dabei auf der Hochdruckseite und lassen einen Volumenstrom auf der Hochdruckseite aus dem System austreten. Wenn Dichtmittel auch nur in geringen Umfang in den Kompressor und die anschließenden Leitungen gelangt, können durch diesen Rückfluss entweder die Manometerfunktion oder auch das Auslassventil des Kompressors in seiner Funktion beeinträchtigt werden.

Eine solche Lösung zeigt die die DE 44 29 097 AI. Dort ist eine Kompressoreinheit bzw. einen Kolbenverdichter mit einem im Stand der Technik üblichen Auslas sventil offenbart, welches gleichzeitig das einzige„Überdruckventil" für den Innenraum des Kompressors ist. Ein solches Auslassventil besteht aus einer federbelasteten Scheibe, welche eine Auslassbohrung des Verdichtungsraums im Zylinder abdeckt und bei entsprechendem Druck im Verdichtungsraum gegen die Feder abhebt. Abgesehen davon, dass ein solches Auslassventil für sehr hohe Öffnungsfrequenzen, d.h. für sehr schnell bewegte

Kolbenkompressoren mit kurzem Hub, nur bedingt geeignet ist, ist es hier erforderlich, einen bestimmten Rohrlängenabstand zum Dichtmittelbehälter bzw. zur zugehörigen Verteilereinheit einzuhalten, um einen Rückfluss von Dichtmittel in den

Kompressionsraum/Druckraum zu verhindern. Dies erhöht insgesamt die Baugröße von Vorrichtungen zum Abdichten und Aufpumpen aufblasbarer Gegenstände.

Wird in die Zuleitung zum geschädigten Reifen zur Verhinderung eines

Dichtmittelrückfluss ein zusätzliches Rückschlagventil eingebaut, so verhindert dieses Rückschlagventil nachteiligerweise eine genaue Druckmessung in dem zu reparierenden Reifen.

Ein Totvolumen ist bei jedem Hubkolbenverdichter vorhanden, da ja der Kolbenboden im oberen Totpunkt einen gewissen und von Null verschiedenen Abstand zur Innenoberfläche des Zylinderkopfes haben muss. Bei einer„Druckbegrenzung" durch ein entsprechend groß ausgelegtes Totluftvolumen, d.h. durch einen großen Abstand zwischen Kolbenboden und Innenoberfläche des Zylinderkopfes besteht die Gefahr eines Dichtmittelaustritts nicht, da kein Luft bzw. Luft/Dichtmittelgemisch in die Umgebung abgelassen wird. Ein entsprechend ausgelegtes Totluftvolumens im Kompressor vermindert jedoch dessen Effizienz und erfordert so einen unnötig großen bzw. teuren Kompressor zum Erreichen einer vorgegebenen Spezifikation.

Handelsübliche Pannensets zur Reifenabdichtung, die über einen Kleinkompressor verfügen, mit dessen Hilfe Reifen aufgepumpt werden können, nutzen zur Begrenzung des Maximaldruckes in der Regel also entweder das Auslassventil im Kompressionsraum oder aber ein Ventil in den in Strömungsrichtung dem Kompressionsraum nach gelagerten Leitungen, z. B. in der nachfolgenden Verteilereinheit, welches somit zwischen

Auslassventil und Reifenventil bzw. zwischen Kompressor und Manometer angeordnet ist. Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine Kompressoreinheit mit einem

Hubkolbenverdichter bereitzustellen, bei der die Begrenzung des Maximaldrucks im Kompressionsraum bei gleichzeitiger Vermeidung von Dichtmittelrückfluß gewährleistet ist, bei der ein plötzlich auf der Hochdruckseite aus dem System austretenden

Volumenstrom vermieden wird und bei der bei einfacher Bauweise insgesamt die

Gebrauchsdauer und Zuverlässigkeit des Kompressors erhöht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart. Dabei ist der Kompressionsraum über ein Ventil mit mindestens einem weiteren

Totluftvolumen verbindbar. So erfolgt nicht nur eine mechanisch arbeitende

Maximaldruckbegrenzung für einen Luftkompressor, bei der zu keinem Zeitpunkt ein Luftstrom in die Umgebung des Kompressors abgeführt wird und die Effizienz des Kompressors innerhalb seines Arbeitsbereiches nicht verringert wird, es wird

gleichermaßen auch die Größe des gesamten Totluftvolumens, d.h. der Inhalt des ersten und weiteren Totluftvolumens in Abhängigkeit von verschiedenen Betrieb szuständen der Kompressoreinheit gesteuert bzw. eingestellt. Es ist damit möglich, das erste Totvolumen des Zylinders zu verringern und dadurch auch den Wirkungsgrad des Kompressors deutlich zu erhöhen und trotzdem ein für die gestellten Anforderungen/ Aufgaben ausreichendes weiteres Totluftvolumen zur Verfügung zu haben, welches bei zu hohen Drücken zugeschaltet wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das zweite Totluftvolumen mit dem Kompressionsraum über das Ventil abhängig vom Druck in der Auslassleitung des Kompressors oder abhängig vom Druck im Kompressionsraum verbindbar ist, vorzugsweise reversibel über das Ventil verbindbar ist, wobei das Ventil vorzugsweise federbelastet ist. Damit wird die Druckstufe, an der das Ventil anspricht und bei der das Ventil öffnet, sehr gut einstellbar und die Auslegung wird vereinfacht.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das weitere Totluftvolumen variabel ist und sich abhängig vom Druck in der Auslassleitung des Kompressors oder abhängig vom Druck im Kompressionsraum kontinuierlich in seinem Inhalt verändern lässt. Eine solche druckabhängig variable Veränderung des aus dem Inhalt des ersten und weiteren Totluftvolmen bestehenden Gesamtinhalt des zur Verfügung stehenden

Totluftvolumens erlaubt eine tatsächlich an den Betriebszustand des Kompressors gekoppelte Steuerung bzw. eine durch die Rückkopplung auch im Sinne einer Regelung arbeitende variable Einstellung des Totluftvolumens über den gesamten Arbeitsbereich.

Vorteilhafte konstruktive Ausbildungen einer solchen druckabhängig variable

Veränderung des Totluftvolumens können dadurch erfolgen, das entweder das weitere Totluftvolumen gegen druckabhängig belastbare Federn oder durch ein auf

Druckänderungen reagierendes elektromechanisches Stellglied kontinuierlich veränderbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Ventil eine Drosseleinrichtung zur Dämpfung von Druckspitzen aus dem Zylinder bzw. Kompressionsraum beinhaltet. Damit werden Stöße und Schwingungen der Luftsäule vermieden, die die Funktion der Zuschaltung des zweiten Totluftvolumens stören könnten.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Totluftvolumen mit dem Kompressionsraum irreversibel über das Ventil verbindbar ist, beispielsweise über ein bei einem Nenndruck öffnenden Berstventil. Dadurch wird die Konstruktion sehr einfach, allerdings nimmt man dabei in Kauf, dass in dem Moment, in dem der Druck in der Auslassleitung des Kompressors zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder unter den zulässigen Wert sinkt, der Kompressor mit verringerter Effizienz weiter arbeitet, da das zweite Totluftvolumen nicht wieder abgetrennt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Ventil ein manuell wieder verschließbares Ventil ist, vorzugsweise ein Ventil mit einem von außen sichtbaren Indikator für die Offen-Stellung. Auch hier ist die Konstruktion sehr vereinfacht, wobei aber trotzdem eine Rückstellung manuell möglich ist und der Kompressor mit der ursprünglichen Effizient weiter betrieben werden kann.

Besonders geeignet ist solch eine Kompressoreinheit zur Anwendung mit einer

Vorrichtung zum Abdichten und Aufpumpen aufblasbarer Gegenstände, insbesondere zum Abdichten und Aufpumpen von Kraftfahrzeugreifen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungs gemäße Kompressoreinheit, bei der das zweite

Totluftvolumen mit dem Kompressionsraum reversibel verbindbar ist, im Normalzustand.

Fig. 2 eine erfindungs gemäße Kompressoreinheit gemäß Fig. 1 im Zustand mit zugeschaltetem zweitem Totluftvolumen

Fig. 3 ein weiteres Ausführungseispiel einer erfindungs gemäßen

Kompressoreinheit, bei der das zweite Totluftvolumen mit dem Kompressionsraum irreversibel verbindbar ist, im Normalzustand. Fig. 4 eine erfindungs gemäße Kompressoreinheit gemäß Fig. 3 im Zustand mit zugeschaltetem zweitem Totluftvolumen.

Fig. 5 den experimentell bestimmten Zusammenhang zwischen Größe des zweiten Totluftvolumens sowie erreichtem Maximaldruck eines

Luftkompressors in einem Diagramm

Fig. 6 eine erfindungs gemäße Kompressoreinheit, bei der das

Totluftvolumen variabel und abhängig vom Druck im

Kompressionsraum veränderbar ist.

Fig. 1 und 2 zeigen streng schematisch als Prinzipskizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kompressoreinheit in einer hier nicht näher dargestellten tragbaren Druckluftquelle für das Aufpumpen von Kraftfahrzeugreifen im Fall des Luftverlustes. Fig. 1 stellt den Normalzustand dar. Fig. 2 zeigt den Zustand mit zugeschaltetem zweitem Totluftvolumen.

Die Kompressoreinheit weist einen über ein hier ebenfalls nicht dargestelltes

Schubkurbelgetriebe angetriebenen Hubkolbenverdichter 1 mit einem in einem Zylinder 2 oszillierend bewegten Kolben 3 auf, der einen mit einem ersten Totluftvolumen 4 versehenen Kompressionsraum begrenzt, wobei der Zylinder ausgangsseitig durch einen Zylinderkopf 5 mit Auslassventil 6 verschlossen ist.

Der Hubkolbenverdichter 1 weist ein zweites Totluftvolumen 7 auf, welches über ein Ventil 8 mit dem Kompressionsraum verbindbar ist. Das Ventil 8 ist abhängig vom Druck in der Auslassleitung 9 des Kompressors zu öffnen.

Das Ventil 8 ist dabei als federbelasteter Kolbenschieber 10 ausgebildet ist, wobei der Kolben 11 über eine geführte Kolbenstange 12 auf eine Öffnung 13 des

Kompressionsraumes zum zweiten Totluftvolumen 7 wirkt und die Öffnung 13 abhängig vom Druck in der Auslassleitung oder abhängig vom Druck im Kompressionsraum öffnet oder schließt, in der hier gezeigten Ausbildung abhängig vom Druck in der Auslassleitung 9 .

Im Normalbetrieb existiert nahezu kein erstes Totluftvolumen zwischen Kolben 3 und Zylinderdeckel bzw. Zylinderkopf 5. Durch eine periodische Kolbenbewegung wird nach dem bekannten Prinzip ein Luftstrom über das Auslassventil 6 durch die Auslassleitung 9 befördert. In diesem Betriebszustand wird die Effizienz des Kompressors nicht beeinträchtigt. Steigt nun der Druck in der Auslassleitung 9 bzw. im ersten Totluftvolumen 4 im

Kompressionsraum über einen zulässigen Wert an, so wird nach Öffnung des

Auslassventils 6 der Kolbenschieber 10 gegen einen entsprechend vorgewählten Druck der Feder 14 angehoben. Durch das Anheben des Kolbenschiebers 10 wird die Öffnung 13 zwischen dem ersten Totluftvolumen im Zylinder 2 und mindestens einem weiteren, hier dem zweiten Totluftvolumen 7 geöffnet.

Hierbei ist der Kolbenschieber 10 so ausgelegt, dass die auf den Schieber ausgeübte Kraft durch den Luftdruck im Zylinder 2 gegenüber der durch den Luftdruck in der

Auslassleitung 9 ausgeübten Kraft zu vernachlässigen ist.

Weiterhin ist der Kolbenschieber 10 und/oder die Zuleitung zu dem Schieber so ausgelegt, dass Druckspitzen aus dem Zylinder abgedämpft werden und keine Öffnung des Schiebers hervorrufen. Das zugeschaltete Totluftvolumen 7 führt zur Druckbegrenzung. Mit der Größe dieses Totluftvolumens 7 sowie dem Druck der Feder 14 auf den Schieber Kolbenschieber 10 kann der Maximaldruck des Kompressors vorgewählt werden.

Sinkt der Druck im Luftauslas s zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder unter den zulässigen Wert , so schließt der Kolbenschieber 10 die Öffnung 13 und der Kompressor kehrt wieder in seinen normalen Betriebszustand zurück. Fig. 3 und 4 zeigen entsprechend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Kompressoreinheit in einer hier nicht näher dargestellten tragbaren Druckluftquelle für das Aufpumpen von Kraftfahrzeugreifen im Fall des Luftverlustes, bei der das Ventil ein irreversibel bei einem Nenndruck öffnendes Berstventil 15 ist.

Fig. 3 stellt den Normalzustand dar. Fig. 4 zeigt den Zustand mit zugeschaltetem zweitem Totluftvolumen.

Wie schon beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 existiert im Normalbetrieb nahezu kein erstes Totluftvolumen zwischen Kolben 3 und Zylinderdeckel bzw. Zylinderkopf 5, d.h. der Kompressor arbeitet ohne Effizienzeinschränkung.

Steigt nun der Druck in der Auslassleitung 9 bzw. im ersten Totluftvolumen 4 im

Kompressionsraum über einen zulässigen Wert an, so wird der Verschluss bzw. das Berstventil 15 gegen einen entsprechend vorgewählte Haltekraft aufgebrochen. Hierdurch wird die Öffnung 13 zwischen dem Kompressionsraum und dem zweiten Totluftvolumen 7 geöffnet. Mit der Größe dieses Totluftvolumens 7 ist danach der Maximaldruck des Kompressors vorbestimmt. Sinkt der Druck in der Auslassleitung 9 bzw. im ersten Totluftvolumen 4 im

Kompressionsraum zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder unter den zulässigen Wert, arbeitet der Kompressor mit verringerter Effizienz weiter, da das zweite Totluftvolumen 7 nicht wieder abgeschlossen wird. Fig. 5 zeigt zur Verdeutlichung den experimentell bestimmten Zusammenhang zwischen Größe des zweiten Totluftvolumens sowie erreichtem Maximaldruck eines

Luftkompressors mit 33,0 mm Kolbendurchmesser und 7,5 mm Kolbenhub. Im

erwünschten Enddruckbereich zwischen 450 kPa und 650 kPa ist dieser Zusammenhang annähernd linear. Fig. 6 zeigt eine Kompressoreinheit, bei der das weitere Totluftvolumen variabel und abhängig vom Druck im Kompressionsraum bzw. im ersten Totluftvolumen 4

kontinuierlich in seinem Inhalt veränderbar ist.

Hierzu ist das Ventil 8 als Endteil eines durch eine Feder 16 belasteten Kolbenschiebers 17 ausgebildet und öffnet oder schließt die Öffnung 18 zum angrenzenden im Zylinderkopf ausgebildeten weiteren Totluftvolumen 19. Das Öffnen oder Schließen und die

Bereitstellung und Freigabe eines druckabhängig sich vergrößernden oder verkleinernden weiteren Totluftvolumens 19 erfolgt durch das druckabhängige Verschieben des federbelasteten Kolbenschiebers 17 nach oben.

Die als Abstützung der Feder ausgebildete Federbuchse 21 kann mehr oder weniger tief in die mit Innengewinde versehene Führungshülse 20 eingeschraubt sein, so dass die Federspannung und damit der Ansprechdruck einstellbar sind.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Hubkolbenverdichter

2 Zylinder

3 Kolben

4 Erstes Totluftvolumen

5 Zylinderkopf

6 Auslassventil

7 Zweites Totluftvolumen

8 Ventil

9 Auslassleitung

10 Kolbenschieber

11 Kolben

12 Kolbenstange

13 Öffnung

14 Feder

15 Berstventil

16 Feder

17 Kolbenschieber

18 Öffnung

19 Variables Totluftvolumen

20 Führungshülse

21 Federbuchse