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Title:
CYLINDER HEAD FOR A COMPRESSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/035265
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a cylinder head (2) for a reciprocating compressor for compressing a compressible working medium, comprising a cylinder cover (7) and a valve carrier plate (5), said cylinder head being designed as follows and having the following features. An intermediate element (6) is arranged between the cylinder cover (7) and the valve carrier plate (5), and a plurality of channel sections (8.1, 10) and/or chambers (14.1, 14.2, 15.1, 15.2) are arranged between the valve carrier plate (5) and the intermediate element (6) and between the cylinder cover (7) and the intermediate element (7) or are formed thereby, through which various media flows can be conducted. In order to improve the efficiency of the reciprocating compressor, insulation chambers (9.1... 9.3) are provided in the cylinder head (2), which at least in regions thermally insulate the channel sections (8.1, 10) and/or chambers (14,14.2, 15.1, 15.2) from one another.

Inventors:
BURKAUSKAS MARIUS (DE)
Application Number:
EP2019/069726
Publication Date:
February 20, 2020
Filing Date:
July 23, 2019
Export Citation:
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Assignee:
VOITH PATENT GMBH (DE)
International Classes:
F04B39/06; F04B39/12
Foreign References:
US20160177936A12016-06-23
US20170321693A12017-11-09
JPH11218079A1999-08-10
DE102015225069A12017-06-14
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Claims:
Patentansprüche

1. Zylinderkopf (2) für einen Hubkolbenverdichter zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, umfassend einen Zylinderdeckel (7) und eine Ventilträgerplatte (5), wobei

- zwischen Zylinderdeckel (7) und Ventilträgerplatte (5) ein Zwischen- element (6) angeordnet ist;

- zwischen Ventilträgerplatte (5) und Zwischenelement (6) sowie zwi- schen Zylinderdeckel (7) und Zwischenelement (6) mehrere Kanalab- schnitte (8.1 ,10) und/oder Kammern (14.1 , 14.2, 15.1 , 15.2) gebildet werden, durch die unterschiedliche Medienströme leitbar sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass im Zylinderkopf (2) eine Isolierkammer (9.1 ... 9.3) vorgesehen ist, die die Kanalabschnitte (8.1 , 10) und/oder Kammern (14.1 , 14.2, 15.1 , 15.2) zumindest bereichsweise thermisch voneinander isolieren.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Einlassraum (14.1 , 14.2) und ein Auslassraum (15.1 , 15.2) vorgesehen sind, zwischen denen die Isolierkammer (9.1 ) angeordnet ist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Auslasskanal 10 vorgesehen ist, wobei die Isolierkammer (9.1 ) den Einlassraum (14.1 , 14.2) und den Auslassraum (15.1 , 15.2) zumindest bereichsweise gegenüber dem Auslasskanal (10) thermisch isoliert.

4. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Isolierkammern (9.1 ... 9.3) im Wesentlichen durch Vertiefun- gen in der Ventilträgerplatte (5) und/oder im Zylinderdeckel (7) gebildet werden.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Isolierkammer (8.1 , 8.2, 8.3) eingeschlossene Umgebungsluft enthält.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Isolierkammer (8.1 , 8.2, 8.3) mit einem Isoliermaterial gefüllt ist oder Vakuum enthält.

7. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Zwischenelement (6) Verbindungsöffnungen aufweist, die Kanalabschnitte (8.1 , 10) und/oder Kammern (14.1 , 14.2, 15.1 , 15.2) in der Ventilträgerplatte (5) und im Zylinderdeckel (7) miteinander verbin- den.

8. Zylinderkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Zwischenelement (6) ein Dichtelement ist.

9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Zylinderkopf (2) ein Zylinderkopf (1 ) für einen mehrstufigen Hubkolbenverdichter ist, wobei zwischen den Auslasskammern (15.1 , 15.2) der Verdichterstufen (17, 18) die Einlasskammern (14.1 , 14.2) der Verdichterstufen (17, 18) angeordnet sind.

10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche I bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen der Auslasskammer (15.2) und der Einlasskammer (14.2) der zweiten Verdichterstufe (18) und/oder zwischen der Ein- lasskammer (14.2) der zweiten Verdichterstufe (18) und der Einlass- kammer (14.1 ) der ersten Verdichterstufe (17) eine Isolierkammer (9.1 ) angeordnet ist.

Description:
Zylinderkopf für einen Kompressor

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Kompressor, insbesondere einen Hubkolbenkompressor für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, der zum Verdichten eines kompressiblen Arbeitsmediums, insbesondere Luft, für den Einsatz in einer Druckluft- versorgungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, geeignet ist.

Hubkolbenverdichter bzw. Verdichter oder Luftpresser dienen der Kompression von Gasen, z. B. Luft, die als Arbeitsmedium zum Betrieb verschiedener Aggregate in einem Kraftfahrzeug genutzt wird.

Der Hubkolbenverdichter besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper, bzw. Kur- belwellengehäuse oder Zylindergehäuse, in dem mindestens ein Hubkolben ange- ordnet ist, und einem Zylinderkopf. Im Betrieb wird Umgebungsluft über einen Ein- lasskanal in den Hubkolbenraum eingesaugt, verdichtet und anschließend über einen Kanal weitergeleitet. Bei einem mehrstufigen Hubkolbenverdichter erfolgt die Weiter- leitung der verdichteten Luft in eine weitere bzw. nachfolgende Verdichterstufe und wird dort weiter verdichtet. Die komprimierte Luft wird anschließend über eine Luft- aufbereitungseinheit in den Druckluftbehälter geleitet. Ein derartiger Zylinderkopf ist beispielsweise aus der DE 10 2015 225 069 A1 be- kannt und setzt sich aus mehreren Bauteilen zusammen, die schichtweise übereinan- der angeordnet sind. Die Bauteile bilden unterschiedliche Kanäle oder Kammern, durch die Luft oder ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser strömt. Zur Kühlung der komprimierten Luft wird die Kanalführung durch den Zylinderkopf bzw. durch die einzelnen Bauteile des Zylinderkopfs derart gewählt, dass der Kanal möglichst lang ist und möglichst nah an dem Kühlmittelkanal vorbeiführt. Durch die kompakte Bau- weise des Zylinderkopfes lässt es sich allerdings nicht vermeiden, dass ein Wär- meaustausch zwischen den Luftströmen, die durch den Zylinderkopf geführt werden und unterschiedliche Temperaturen aufweisen, stattfindet. Die Wärmeübertragung zwischen den Luftströmen mit unterschiedlichen Temperatu- ren erfolgt dabei über die Trennwände der Kanäle. Durch die metallische Ausführung dieser Trennwände ist die Wärmeleitfähigkeit sehr gut. Nachteilig ist, dass diese Wärmeübertragung den Wirkungsgrad des Hubkolbenverdichters negativ beeinflusst. Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Zylinderkopfaufbau derart zu verbessern, dass die Effizienz des Hubkolbenverdichters vergrößert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zylinderkopfausführung gelöst, die derart aufgebaut ist, dass eine unerwünschte Wärmeübertragung zwischen zwei Flu- idströmungen minimiert wird. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.

Es wird ein Zylinderkopf für einen Hubkolbenverdichter zum Verdichten eines korm- pressiblen Arbeitsmediums, umfassend ein Zylinderdeckel und eine Ventilträgerplatte, vorgeschlagen, der wie folgt Aufgebaut ist und folgende Merkmale aufweist.

Zwischen Zylinderdeckel und Ventilträgerplatte ist ein Zwischenelement angeordnet und zwischen Ventilträgerplatte und Zwischenelement sowie zwischen Zylinderdeckel und Zwischenelement sind mehrere Kanalabschnitte und/oder Kammern angeordnet bzw. werden durch diese gebildet, durch die unterschiedliche Medienströme leitbar sind. Zur Verbesserung der Effizienz des Hubkolbenverdichters sind im Zylinderkopf eine oder mehr Isolierkammer vorgesehen, die die Kanalabschnitte und/oder Karm- mern zumindest bereichsweise thermisch voneinander isolieren. In einer bevorzugten Ausführung, zum Beispiel bei einem einstufigen Hubkolbenver- dichter, sind ein Einlassraum und ein Auslassraum vorgesehen, zwischen denen die Isolierkammer angeordnet ist. Bei Mehrkolbenverdichtern oder auch mehrstufigen Verdichtern, können auch weitere Isolierkammern zwischen unterschiedlichen Term- peraturbereichen angeordnet sein. Weiterhin kann im Zylinderkopf ein Auslasskanal vorgesehen sein, wobei der Isolier kanal den Einlassraum und den Auslassraum zumindest bereichsweise gegenüber dem Auslasskanal thermisch isoliert. Die Isolierkammern können im Wesentlichen durch Vertiefungen in der Ventilträger- platte und/oder im Zylinderdeckel gebildet werden. Dabei werden die Vertiefungen dann mittels des Zwischenelements verschlossen.

Vorzugweise enthalten die Isolierkammern eingeschlossene Umgebungsluft. Bei der Montage braucht somit kein zusätzlicher Arbeitsschritt eingeplant werden. Alternativ können die Isolierkammern aber auch mit einem Isoliermaterial gefüllt sein oder Va- kuum enthalten.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Zwischenelement Verbindungsöffnungen aufweist, die Kanalabschnitte und/oder Kammern in der Ventilträgerplatte und im Zy - linderdeckel miteinander verbinden. So können der Luftstrom und/oder der Kühlmedi- umstrom von einer Ebene in eine andere gelangen. Das Zwischenelement kann auch ein Dichtelement sein. In einer Ausführung kann der Zylinderkopf ein Zylinderkopf für einen mehrstufigen Hubkolbenverdichter sein, wobei zwischen den Auslasskammern der Verdichterstufen die Einlasskammern der Verdichterstufen angeordnet sind.

Weiterhin kann zwischen der Auslasskammer und der Einlasskammer der zweiten Verdichterstufe und/oder zwischen der Einlasskammer der zweiten Verdichterstufe und der Einlasskammer der ersten Verdichterstufe eine Isolierkammer angeordnet sein.

Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, son- dern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen: Fig.1 Hubkolbenverdichter mit Zylinderkopf (Schnitt B-B)

Fig.2 Draufsicht auf den Zylinderkopf (Schnitt A-A)

Fig. 3 Alternativer Aufbau für einen Zylinderkopf Figur 1 zeigt einen zweistufigen Hubkolbenverdichter 1 bzw. Kompressor mit Zylin derkopf 2 im Schnitt. Der Schnittverlauf ist aus Figur 2 zu entnehmen. Der Zylinder- kopf 2 setzt sich zusammen aus der Ventilträgerplatte 5, dem Zylinderkopfdeckel 7 und einem dazwischen angeordneten Zwischenelement 6. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Zylinderkopf 2, wobei der Schnittverlauf A-A aus Figur 1 zu entnehmen ist.

Der Hubkolbenverdichter 1 weist eine Wasserkühlung auf, die durch das Zylinderge- häuse 3 und durch den Zylinderkopf 2 verläuft. Nicht zu erkennen ist der genaue Ver- lauf der Kühlmittelkanäle 8.1 und 8.2, die miteinander verbunden sind, so dass ein Kühlmittelstrom durch beide Bereiche strömen kann.

Wie aus den Figuren 1 und 2 weiterhin zu entnehmen ist, verlaufen zwischen Ventil- trägerplatte 5 und Zwischenelement 6 sowie zwischen Zylinderdeckel 7 und Zwi- schenelement 6 mehrere Kanalabschnitte 8.1 , 10 und mehrere Kammern 14.1 , 14.2, 15.1 und 15.2 vorhanden. Weiterhin sind im Zylinderkopf 2 mehrere Isolierkammern

9.1 , 9.2 angeordnet.

Die Isolierkammern 9.1 und 9.2 sind in diesem Ausführungsbeispiel derart angeord- net, dass insbesondere der Kanalabschnitt 10, durch den die heiße Druckluft der zweiten Verdichterstufe 18 zur Auslassöffnung 20 geleitet wird, von den Kammern

14.1 , 14.2, 15.1 und 15.2 isoliert wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass es zu einer unerwünschten Erwärmung der Ansaugluft, insbesondere der kühlen Urmge- bungsluft, und der vorkomprimierten Luft, die von der ersten Verdichterstufe 17 zur zweiten Verdichterstufe 18 geleitet wird, kommt.

Der Verlauf der Isolierkammern ist aus Figur 2 zu entnehmen, wobei zu erkennen ist, dass mittels der Isolierkammern nicht unbedingt eine vollständige Abschottung zwi- schen heißen und kalten Luftströmen erreicht wird. Durch die teilweise Isolierung wird die direkte Wärmeübertragung durch die metallischen Zwischenwände aber zurmin- dest stark reduziert. Wie zu erkennen, sind die Isolierkammern 9.1 und 9.2 abgeschlossene Hohlräume, die im Wesentlichen durch Vertiefungen in der Ventilträgerplatte 5 und im Zylinderde- ckel 7 gebildet werden und durch das Zwischenelement 6 verschlossen sind. Die Iso- lierkammern 9.1 und 9.2 sind mit Umgebungsluft gefüllt, die bei der Montage einge- schlossen wurde

Bei zweistufigen Hubkolbenverdichtern 1 ist es wesentlich, dass die vorkomprimierte Luft aus der ersten Verdichterstufe 17 möglichst weit abgekühlt wird, bevor sie in die zweite Verdichterstufe 18 über den Einlassraum 14.2 eingesaugt wird. Um dies zu erreichen, wird der Luftstrom von dem Auslassraum 15.1 der ersten Verdichterstufe 17 durch einen Verbindungskanal 19 im Zylindergehäuse 3 geleitet. Die Wände des

Verbindungskanals 19 stehen einmal mit dem Kühlkanal 8.2 in Kontakt und weisen zudem eine große Kühlfläche gegenüber der Umgebungsluft auf.

Figur 3 zeigt einen alternativen Aufbau für einen Zylinderkopf 1. Dieser unterscheidet sich im Wesentlichen durch die Anordnung der Kanäle und Kammern. So sind die Isolierkammern 9.3 hier zwischen dem Verbindungskanal 19 und dem Druckluftkanal 10 angeordnet. Die Isolierkammer 9.3 ist in die Ventilträgerplatte 5 eingearbeitet und wird durch das Dichtelement 4 verschlossen.

Bezugszeichenliste

1 Kompressor

2 Zylinderkopf

3 Zylindergehäuse

4 Dichtungselement

5 Ventilträgerplatte

6 Zwischenelement

7 Zylinderdeckel

8 Kühlmittelkanal

9.1 ... 9.3 Isolierkammer

10 Druckluftkanal

1 1 Ansaugluftkanal zweite Stufe 12 Auslassventil

13 Einlassventil

14.1 , 14.2 Einlassraum

15.1 , 15.2 Auslassraum

16 Hubkolbenraum

17 erste Verdichterstufe

18 zweite Verdichterstufe

19 Verbindungskanal

20 Auslassöffnung