Hubkolbenverdichter mit berührungsloser Spaltdichtung

Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Hubkolbenverdichter mit wenigstens zwei hintereinander, entlang einer Zylinderachse angeordneten Arbeitszylindern, in welchen je ein Kolben axial beweglich geführt ist, wobei die Kolben eine gemeinsame axial betätigte Kolbenstange aufweisen, welche sich durch eine Durchgangsöffnung in einer Trennwand zwischen den Arbeitszylindern erstreckt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hubkolbenverdichtern ist üblicherweise zwischen der Durchgangsöffnung und der Kolbenstange eine Berührungsdichtung in Form eines Dichtrings vorgesehen, um die in Reihe hintereinander angeordneten Arbeitszylinder gegeneinander abzudichten. Vor allem beim Einsatz von Hubkolbenverdichtern in Druckluftbremsanlagen von Nutzfahrzeugen ist wegen des hohen Druckluftbedarfs eine hohe Verdichterleistung gefragt, so dass der Hubkolbenverdichter eine hohe Anzahl von Verdichtungshüben liefern muss. Die bisher verwendeten Berührungsdichtungen sorgen jedoch für Reibung, so dass angesichts der hohen Anzahl von Verdichtungshüben relativ große Reibungsverluste entstehen, welche sich auch in hohen Temperaturen von bis zu 300 °C im Bereich der Dichtung niederschlagen. Aus den genannten Gründen ist für die Dichtungen ein reibungsarmes und zugleich hitzebeständiges Material notwendig, welches entsprechend teuer ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolbenverdichter der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass er günstiger zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Arbeitszylinder im Bereich der Kolbenstange ausschließlich durch eine berührungsfreie Dichtung in Form einer zwischen einer radial äußeren Umfangsfläche der Kolbenstange und einer radial inneren Umfangsfläche der Durchgangsbohrung ausgebildeten axialen Spaltdichtung gegeneinander abzudichten. Mit anderen Worten soll sich die Kolbenstange durch die Durchgangsöffnung ohne Zwischenordnung einer separaten Berührungsdichtung erstrecken. Dann entsteht zwar zwischen den Arbeitszylindern eine gewisse Leckage, jedoch stört diese bei der vorliegenden Bauart von Hubkolbenluftverdichtern mit wenigstens zwei hintereinander angeordneten Arbeitszylindern nicht, da jeder Arbeitszylinder ohnehin druckluftbeaufschlagt ist. Dann können die bisher üblichen Berührungsdichtungen in den Trennwänden zwischen den Arbeitszylindern entfallen, welche die eingangs erwähnten Nachteile mit sich bringen.

Die Erfindung nutzt die Viskositätseigenschaften der Luft, aufgrund derer Druckluft unter schnellem Druckanstieg eine geringere Tendenz hat, einen engen Spalt zu passieren als bei langsamerem Druckanstieg. Vor dem Hinter- grund der bei Hubkolbenluftverdichtern in Druckluftbremsanlagen von Nutzfahrzeugen üblichen hohen Anzahl von Verdichtungshüben je Zeit und damit schnellem Druckanstieg in den Arbeitszylindern ist folglich mit einer geringen Leckage zu rechnen.

Der sich axial erstreckende Ringspalt zwischen der radial äußeren Umfangsflä- che der Kolbenstange und der radial inneren Umfangsfläche der Durchgangsbohrung bildet eine Drossel, an welcher die Spaltströmung Druckenergie verliert. Der Spalt senkt abhängig von der Spaltweite folglich infolge der Drosselung ein hohes Druckniveau auf ein wesentlich niedriges Niveau ab.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.

Besonders bevorzugt ist zur Ausbildung einer Labyrinthspaltdichtung wenigs- tens die radial innere Umfangsfläche der Durchgangsbohrung mit in Axialabstand zueinander angeordneten radialen Nuten versehen. In einer solchen Labyrinthspaltdichtung strömt das Fluid aus einer Kammer des einen Arbeitszylinders höheren Drucks in eine Kammer niedrigeren Drucks des anderen Arbeitszylinders durch mehrere eingeschnürte Drosselstellen, welche durch die zwischen den Nuten angeordneten Einschnürungen der Durchgangsöffnung gebildet werden. In den erweiterten Räumen nach den Drosselstellen, d.h. in den Nuten wird die kinetische Energie der Fluidströmung fast vollständig in Reibungswärme, d.h. in Verlustenergie umgesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist der Hubkolbenverdich- ter reversierend, wobei der durch die Spaltdichtung strömende Leckagestrom von dem einen Arbeitszylinder in den anderen Arbeitszylinder das bei der anschließenden Reversierbewegung der Kolbenstange zu verdichtende Luftvolumen in vorteilhafter Weise vergrößert.

Gemäß einer Weiterbildung könnte die Erfindung auch bei einem mehrstufigen Hubkolbenverdichter ausgeführt sein, welcher eine mehrstufige Verdichtung der angesaugten Luft durchführt und bei welchem jeder Arbeitszylinder einer Verdichtungsstufe zugeordnet ist.

Besonders bevorzugt wird die Erfindung bei einem Hubkolbenverdichter einer Druckluftbremsanlage eines Nutzfahrzeugs aus den oben bereits genannten Gründen eingesetzt.

Genaueres geht aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor.

Zeichnung

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig.1 eine Querschnittsdarstellung eines Hubkolbenverdichters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Stellung,

Fig.2 den Hubkolbenverdichter von Fig.1 in einer zweiten Stellung;

Fig.3 eine Querschnittsdarstellung eines Hubkolbenverdichters gemäß ei- ner weiteren Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Stellung;

Fig.4 den Hubkolbenverdichter von Fig.2 in einer zweiten Stellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig.1 gezeigte Hubkolbenverdichter 1 ist von dem Typ, bei welchem mehrere, bevorzugt zwei Zylinder 2, 4 hintereinandergeschaltet sind, wobei die in den Zylindern 2, 4 axial geführten Kolben 6, 8 mit einer gemeinsamen Kolbenstange 10 verbunden sind, welche von einer aus Maßstabsgründen nicht gezeigten Brennkraftmaschine des Nutzfahrzeugs zur Erzeugung von Druckluft für die Druckluftbremsanlage in reversierender Weise angetrieben wird. Hierbei erfolgt in jedem der Zylinder 2, 4 jeweils ein unabhängiger Verdichtungsvorgang der Eingangsluft, ohne dass zunächst die von dem einen Zylinder 2 erzeugte Druckluft in den anderen Zylinder 4 eingespeist wird oder umgekehrt.

Die beiden Zylinder 2, 4 bestehen aus jeweils einem Mantelgehäuse 12, 14, welche endseitig durch mit Durchgangsöffnungen 16 versehene Bodenplatten 18, 20, 22, 24 verschlossen sind. Den Zylindern 2, 4 axial zwischengeordnet ist außerdem eine Trennwand 26, in welcher wenigstens ein durchgehender, jeweils mit der zugeordneten Durchgangsöffnung 16 in den Bodenplatten 18, 20, 22, 24 der Zylinder 2, 4 fluchtender Eingangskanal 28 und ein Ausgangskanal 30 sowie eine Durchgangsöffnung 32 für die Kolbenstange 10 ausgebildet ist. Der Ausgangskanal 30 steht über einen quer zu ihm verlaufenden Ausgangs-

anschluss 34 mit einem nicht gezeigten Druckluftvorrat und der Eingangskanal 28 mit einem ebenfalls quer zu ihm verlaufenden Eingangsanschluss 36 mit der Umgebung in Verbindung.

Die Durchgangsöffnungen 16 der Bodenplatten 20, 22, welche an dem nicht der Trennwand 26 zugewandten Ende der Mantelgehäuse 12, 14 angeordnet sind, fluchten ebenfalls mit Eingangsanschlüssen 38, 42 bzw. Ausgangsanschlüssen 40, 44, welche in auf diese Bodenplatten 20, 22 axial aufgesetzten Endstücken 46, 48 ausgebildet sind.

Weiterhin ist in der Bodenplatte 20 und in dem Endstück 48 des einen Zylinders 2 eine zentrale Durchgangsöffnung 50 für die Kolbenstange 10 vorhanden, welche durch eine in einer radial inneren Nut 52 des Endstücks 48 gehaltenen Rinddichtung 54 kontaktiert wird. Die Kolben 6, 8 teilen die Zylinder 2, 4 jeweils in eine erste Zylinderkammer 56, 58 und in eine zweite Zylinderkammer 60, 62, deren Größe von der jeweiligen Stellung des Kolbens 6, 8 abhängt. Die Ring- dichtung 54 dient dann dazu, die erste Zylinderkammer 56 des einen Zylinders 2 gegenüber der Umgebung abzudichten.

Weiterhin tragen auch die Kolben 6, 8 an ihren radial äußeren Umfangsflächen Dichtungen 64, welche jeweils die erste Zylinderkammer 56, 58 und die zweite Zylinderkammer 60, 62 gegeneinander abdichten. Bei den bisher beschriebe- nen Dichtungen 54, 64 handelt es sich durchweg um Berührungsdichtungen, d.h., dass die Dichtung 54, 64 die ihr jeweils zugeordnete Lauffläche kontaktiert.

Um die zweite Zylinderkammer 60 des einen Zylinders 2 gegenüber der ersten Zylinderkammer 58 des anderen Zylinder 4 abzudichten, ist jedoch keine Be- rührungsdichtung, sondern eine axiale Spaltdichtung 66 vorgesehen, welche im vorliegenden Fall vorzugsweise als Labyrinthspaltdichtung ausgebildet ist. Alternativ ist auch eine glattzylindrische oder gestufte Spaltdichtung möglich. Hierzu ist zwischen einer radial äußeren Umfangsfläche der Kolbenstange 10 und einer radial inneren Umfangsfläche der Durchgangsöffnung 32 der Trenn- wand 26 ein schmaler axialer Spalt 66 ausgebildet, welcher im übrigen auch

zwischen den beiden Bodenplatten 18, 24 und der Kolbenstange 10 vorhanden ist. Zur Ausbildung einer Labyrinthspaltdichtung 66 ist zudem wenigstens die radial innere Umfangsfläche der Durchgangsöffnung 32 der Trennwand 26 mit in Axialabstand zueinander angeordneten radialen Nuten 68 versehen. Im folgenden sollen in dicken Volllinien gezeichnete Pfeile 70 den Strömungsweg verdichteter Luft, schwarz umrandete Pfeile 72 den Strömungsweg angesaugter Luft, schwarz umrandete und mit einer Schraffur versehene Pfeile 74 den Strömungsweg von einem Zylinder 2, 4 in den anderen Zylinder 2, 4 strömender Luft und in schmalen Linien gezeichnete Pfeile 76 den Strömungsweg von Leckageströmen kennzeichnen. Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise des Hubkolbenverdichters 1 wie folgt :

Bei einer Bewegung der Kolbenstange 10 gemäß Fig.1 nach links verkleinert sich das Volumen der beiden ersten Zylinderkammern 56, 58 bei gleichzeitiger Vergrößerung der beiden zweiten Zylinderkammern 60, 62, so dass bei anstei- gendem Druck pi die in den ersten Zylinderkammern 56, 58 befindliche Luft komprimiert und über die Ausgangsanschlüsse 34, 44 ausgestoßen wird, an welche eine nicht gezeigte Sammelleitung angeschlossen ist, um die komprimierte Druckluft dem Druckluftvorrat zuzuführen. Diese Strömungsbewegung ist in Fig.1 durch die schwarzen, in dicken Volllinien gezeichneten Pfeile 70 ge- kennzeichnet.

Gleichzeitig wird das Volumen der zweiten Zylinderkammern 60, 62 vergrößert, wodurch der Druck P2 dort sinkt und über die Eingangsanschlüsse 36, 38 Luft angesaugt wird, wie die schwarz umrandeten Pfeile 72 kennzeichnen. Aufgrund des Druckgefälles dp = pi - P2 zwischen der ersten Zylinderkammer 58 des an- deren Zylinders 4 und der zweiten Zylinderkammer 60 des einen Zylinders 2 ergibt sich eine kleiner, durch einen schmalen Pfeil 76 symbolisierter Leckagestrom durch den Spalt 66 hindurch, welcher allerdings nicht störend ist, da er dazu beiträgt, die zweite Zylinderkammer 60 des einen Zylinders 2 mit Luft zu füllen, welche im Laufe der anschließenden Reversierbewegung der Kolben- stange 10 komprimiert wird.

Bei dieser in Fig.2 gezeigten Reversierbewegung der Kolbenstange 10 wird die zuvor in die zweiten Zylinderkammern 60, 62 eingesaugte Luft wie auch die durch den Spalt 66 in die zweite Zylinderkammer 60 des einen Zylinders 2 eingeströmte Leckageluft 76 verdichtet und über die Ausgangsanschlϋsse 34, 40 dem Druckluftvorrat zugeführt. Gleichzeitig wird über die Eingangsanschlüsse 36, 42 neue Luft in die ersten Zylinderkammern 56, 58 eingesaugt. Hierdurch entsteht wiederum ein nun entgegen gerichteter Leckagestrom 76 durch den Spalt, welcher der ersten Zylinderkammer 58 des anderen Zylinders 4 weitere Luft zuführt. Durch die Reversierbewegungen der Kolbenstange 10 wird daher in jede Zylinderkammer 56, 58, 60, 62 zunächst Luft durch Volumenvergrößerung eingesaugt, verdichtet und ausgestoßen, wobei beide Kolbenflächen eines jeden Kolbens 6, 8 in beiden Richtungen wirkende Wirkflächen darstellen. Der jeweils dabei entstehende Leckagestrom 76 wird jedoch nicht in die Umgebung ausge- blasen, sondern trägt dazu bei, das bei der anschließenden Reversierbewegung der Kolbenstange 10 zu verdichtende Luftvolumen zu vergrößern.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Fig.3 und 4 sind die gegenüber dem vorhergehenden Beispiel gleichbleibenden und gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen, jeweils jedoch mit einem zu- sätzlichen Apostroph gekennzeichnet. Im Unterschied zu diesem ist der Hubkolbenverdichter 1 ' mehrstufig aufgebaut, d.h., dass während eines Hubes die von dem einen Zylinder 2' in der ersten Zylinderkammer 56' verdichtete Luft in die zweite Zylinderkammer 62' des anderen Zylinders 4' geleitet wird, um dort während des Reversierhubes der Kolbenstange 10' einer weiteren Verdichtung unterzogen zu werden, bevor die Druckluft über den Ausgangsanschluss 40' dem Druckluftvorrat zugeführt wird. Deshalb hat die erste Zylinderkammer 56' des einen Zylinders 2' keine Ausgangsanschlüsse sondern steht mittels einer Druckluftverbindung in Form eines Druckluftkanals 78 mit der zweiten Zylinderkammer 62' des anderen Zylinders 4' in Strömungsverbindung. Weiterhin ist die

zweite Zylinderkammer 60' des einen Zylinders 2' mit der ersten Zylinderkammer 58' des anderen Zylinders 4' durch einen überströmkanal 80" verbunden.

Bei einer Bewegung der Kolbenstange 10' in Fig.3 nach links wird die Luft in der ersten Zylinderkammer 56' des einen Zylinders 2' durch das sich verklei- nernde Volumen unter Druck gesetzt und über den Druckluftkanal 78' in die zweite Zylinderkammer 62' des anderen Zylinders 4' eingeleitet und unterstützt dort die Kolbenbewegung des diesem Zylinder 4' zugeordneten Kolbens 8', welcher die in dessen erster Zylinderkammer 58' vorhandene Luft verdichtet und über den Ausgangsanschluss 34 dem Druckluftvorrat zuführt. Durch das Druckgefälle zwischen dem höheren Druck P ₁ ' in der ersten Zylinderkammer 58' des anderen Zylinders 4' und dem demgegenüber niedrigeren Druck p ₂ ' in der zweiten Zylinderkammer 60' des einen Zylinders 2' strömt ein geringer Teil der Druckluft als Leckagestrom 76' in die zweite Zylinderkammer 60' des einen Zylinders 2' und unterstützt dort die Kolbenbewegung. Gleichzeitig saugt der eine Zylinder 2' über den Eingangsanschluss 36' Luft aus der Umgebung in seine zweite Zylinderkammer 60' ein.

Im Rahmen der Reversierbewegung der Kolbenstange 10' gemäß Fig.4 nach rechts wird die in die zweite Zylinderkammer 60' des einen Zylinders 2' eingesaugte Luft verdichtet und der größte Teil über den überstromkanal 80' in die erste Zylinderkammer 58' des anderen Zylinders 4' geschoben, um dort die

Kolbenbewegung nach rechts zu unterstützen. Gleichzeitig verdichtet der Kolben 8' des anderen Zylinders 4' die in dessen zweiter Zylinderkammer 62' anstehende, durch den einen Zylinder 2' bereits vorverdichtete Druckluft und schiebt sie über den Ausgangsanschluss 40' in den Druckluftvorrat aus. Dabei schiebt der Kolben 6' des einen Zylinders 2' wiederum einen kleinen Leckagestrom 76 von der zweiten Zylinderkammer 60' in die erste Zylinderkammer 58' des anderen Zylinders 4', um die Kolbenbewegung des dortigen Kolbens 8' zu unterstützen und um Luft für den nächsten Verdichtungsvorgang bereitzustellen.

Bezugszeichenliste

1 Hubkolbenverdichter

2 Zylinder 4 Zylinder

6 Kolben

8 Kolben

10 Kolbenstange

12 Mantelgehäuse 14 Mantelgehäuse

16 Durchgangsöffnungen

18 Bodenplatte

20 Bodenplatte

22 Bodenplatte 24 Bodenplatte

26 Trennwand

28 Eingangskanal

30 Ausgangskanal

32 Durchgangsöffnung 34 Ausgangsanschluss

36 Eingangsanschluss

38 Eingangsanschluss

40 Ausgangsanschluss

42 Eingangsanschluss

44 Ausgangsanschluss

46 Endstück

48 Endstück

50 Durchgangsöffnung 52 Nut

54 Dichtung

56 erste Zylinderkammer

58 erste Zylinderkammer

60 zweite Zylinderkammer 62 zweite Zylinderkammer

64 Dichtungen

66 Spaltdichtung

68 Nuten

70 Pfeil 72 Pfeil

74 Pfeil

76 Pfeil

78 Druckluftkanal 0 überströmkanal