Kompressoranordnung mit Bypassmitteln zur Vermeidung eines Einfrierens der Kühleinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompressoranordnung zur Erzeugung von Druckluft mittels einer motorbetriebenen Verdichtereinheit, der mindestens eine Kühlereinheit zur Abkühlung der erzeugten Druckluft nachgeschaltet ist, die über mindestens einen Einlass in die Kühlereinheit eintritt, dort durch eine kühlluftumströmte Kühlstruktur aus mehreren parallelgeschalteten Kühlkanälen strömt und die Kühlereinheit über mindestens einen Auslass ver- lässt, wobei zwischen dem Einlass und dem Auslass der Kühlereinheit Bypassmittel zur Ver-

meidung eines Einfrierens der Kühlereinheit bei geringen Umgebungstemperaturen vorgesehen sind.

Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf ölfreie Kolbenkompressoren, welche zur Erzeugung von Druckluft beispielsweise im Nutz- und Schienenfahrzeugbau zum Einsatz kommen. Bei derartigen Anwendungen hat die Kompressoranordnung über einen Temperaturbereich von - 50° C bis + 50° C Umgebungstemperatur zu funktionieren. Da die Kühlerauslegung auch eine maximale Kühlleistung bei +50 ⁰ C vorsieht, kann bei speziellen Umgebungsbedingungen - beispielsweise 100 % Luftfeuchtigkeit, - 20° C Umgebungstemperatur und 50 % Einschaltdauer - eine Vereisung der Kühlkanäle innerhalb der Kühlereinheit der Kompressoranordnung beobachtet werden. Diese Vereisung kann beim Betrieb der Verdichtereinheit über einen Zeitraum von mehreren Stunden sogar soweit fortschreiten, dass keine ausreichende Luftforderung mehr möglich ist und die Kompressoranordnung schließlich ausfallt.

Aus der US 6,952,932 B2 geht eine Kühlereinheit für eine Kompressoranordnung hervor, bei welcher das vorstehend erläuterte Problem dadurch gelöst wird, dass nicht die gesamte durch die vorgeschaltete Verdichtereinheit aufgeheizte Druckluft die kühlluftumströmte Kühlstruktur passiert, sondern dass ein Teil der aufgeheizten Druckluft über eine Bypassleitung an der Kühlstruktur vorbei direkt zum Auslass gefuhrt wird, wo diese sich mit der durch die Kühlstruktur gekühlten Druckluft mischt. Zum Mischen ist jedoch ein in der Bypassleitung eingefügtes Mixventil erforderlich, welches nach Maßgabe einer elektronischen Steuerung betätigt wird, um je nach Umgebungstemperatur heiße Druckluft mit gekühlter Druckluft zu mischen.

Nachteilig bei dieser bekannten technischen Lösung ist jedoch, dass die hier vorgesehene Ventil- und Steuerungstechnik einen entsprechenden gerätetechnischen Aufwand verursacht. Bei einem Versagen oder einer Fehlfunktion von Ventil- bzw. Steuerelektronik durch beispielsweise Unterbrechung der Stromversorgung für die Steuerelektronik oder Verschleiß

einer Dichtung im Ventil könnte ein Einfrieren der Kühleinheit ungehindert bis zu deren Zerstörung fortschreiten. Weiterhin eignet sich diese Lösung in erster Linie dafür, die der Kühlereinheit nachgeschalteten Aggregate vor Vereisung zu schützen.

Aus der US 5,669,363 geht eine weitere technische Lösung für Bypassmittel an einer Kühlereinheit hervor, welche jedoch ebenfalls eine recht aufwendige Ventilsteuerung - hier mittels Thermostatventil - erfordert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompressoranordnung zu schaffen, deren mindestens eine Kühlereinheit durch einfach aufgebaute Bypassmittel wirksam gegen Einfrieren geschützt wird.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kompressoranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass als Bypassmittel lediglich ein permanent offenes Bypassrohr ohne jegliche in der Druckluftströmung liegende Ventile zwischen dem Bereich des Einlasses und dem Bereich des Auslasses der Kühlereinheit vorgesehen ist. Der Innenquerschnitt des Bypassrohres ist dabei derart auf die Förderleistung der Verdichtereinheit sowie auf die Druckdifferenz zwischen Einlass- und Auslass abgestimmt, dass das Bypassrohr bei normalen Umgebungstemperaturen einen höheren Strömungswiderstand als die Kühlstruktur verursacht. Als normale Umgebungstemperaturen gelten vornehmlich Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts und fortschreitendem Einfrieren der Kühlstruktur strömt die Druckluft allerdings zunehmend über das Bypassrohr.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass über dieses speziell dimensionierte Bypassrohr die DruckJufterzeugung im Falle eines Einfrierens der Kühlereinheit unter minimalem Verlust von Kühl- und Förderleistung aufrechterhalten werden kann. Da die Erfindung völlig ohne Ventile auskommt, ist diese mit denkbar geringem technischen Aufwand umsetzbar. Die erfindungsgemäße Lösung besitzt eine auf die Dimensionierung des Bypassrohres basierende, selbständige Regeltätigkeit. Dabei ist das Bypassrohr derart auszulegen, dass die Austrittstemperatur (nach der Kühlereinheit gemessen) so begrenzt ist, dass die Funktion nachgeschalteter Geräte - wie Lufttrockner, Regelventile - nicht beeinträchtigt wird.

Versuche haben ergeben, dass insbesondere bei ölfreien Kolbenkompressoren für den Schienenfahrzeugbereich das optimale Verhältnis von Innenquerschnitt des Bypassrohres zu Förderleitung bei 10 bar Betriebsdruck im Bereich zwischen 0,8 bis 1 ,2 liegt. Diese Kenngröße trifft bei mehreren Kühlereinheiten einer Kompressorenanordnung allein für den Nachkühler zu. Die Maßeinheit für den Innenquerschnitt des Bypassrohres ist mm ² . Die Maßeinheit für die Förderleistung ist l/min.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Bypassrohr zur Erzielung einer optimalen Funktion derart zu dimensionieren, dass im Falle einer eingefrorenen Kühlereinheit, welche keine Druckluft mehr durchläset, die Druckdifferenz zwischen den beiden Enden des Bypassrohres auf maximal 0,5 bar ansteigt. Ein derartiger Druckabfall ist als minimaler Verlust der Förderleistung durchaus hinnehmbar. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann erzielt werden, dass bei total eingefrorener Kühlereinheit die Förderleistung um nicht mehr als 5% absinkt und die Austrittstemperatur nach der Kühlereinheit um nicht mehr als 20 °C gegenüber dem Kühler ohne Bypass ansteigt.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass das Bypassrohr zu beiden Enden hin Verschraubungen aufweist, mit welchen eine lösbare Befesti-

gung des Bypassrohres an der Kühlereinheit erfolgen kann. Durch diese Maßnahme ist es möglich, auch Kühlereinheiten ohne Bypassrohr als weitere Produktvariante zu fertigen. Es ist auch denkbar, dass das Bypassrohr in die die Kühlereinheit total integriert ist, beispielsweise durch Einlöten oder Einschweißen. Für das Bypassrohr selbst eignet sich ein Rohr aus Stahl oder einem Leichtmetall, wozu auf ein normiertes Halbzeug zurückgegriffen werden kann, beispielsweise auf ein Rohr mit den Grundmaßen 10 x 1,5mm. Bei der Auswahl und Dimensionierung des Bypassrohrs ist darüber hinaus darauf zu achten, dass dieses dem erforderlichen Prüfdruck standhält.

Weiterhin ist es möglich, dass das Bypassrohr mit Kühllamellen oder Kühlrippen versehen ist oder nach Art eines Rippenrohrs ausgeführt ist, um die Kühlwirkung erforderlichenfalls zu verbessern. Das Bypassrohr kann als ein gießtechnisch hergestellter Hohlkörper ausgeführt werden, oder einen solchen enthalten. Neben Stahl sind auch nichtmetallische Materialien zur Herstellung denkbar, sofern diese die genügend temperaturbeständig und druckfest sind. So ist es auch denkbar, dass das Bypassrohr als eine Schlauchleitung ausgeführt ist, oder eine solche beinhaltet.

Gemäß einer anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass das Bypassrohr derart relativ zur Kühlereinheit angeordnet ist, dass dieses im Strom der die Kühlereinheit durchströmenden Kühlluft liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Bypassrohr auf die hindurchströmende Druckluft eine Mindestkühlwirkung ausübt. Das Bypassrohr kann entweder vertikal oder horizontal relativ zur Kühlereinheit angeordnet sein und gerade verlaufen. Falls die Eigenkühl wirkung des Bypassrohres bei geradem Verlauf nicht ausreichend ist, kann das Bypassrohr alternativ auch nach Art einer Rohrschlange oder dergleichen ausgeführt werden.

Weiterhin ist es denkbar, in die Wandung des Bypassrohres ein Entwässerungsventil oder ein Sicherheitsventil einzufügen, falls dies sinnvoll ist. Ein Entwässerungsventil wäre an der tiefsten Stelle des Bypassrohres anzuordnen.

Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich zu einem Einsatz sowohl bei einstufigen als auch bei mehrstufigen Verdichtereinheiten. Im Falle einer einstufigen Verdichtereinheit ist die Kühlereinheit als Nachkühler vorgesehen, welche dann mit mindestens einem erfindungsgemäßen Bypassrohr ausgestattet werden kann. Im Falle einer mehrstufigen Verdichtereinheit ist gewöhnlich jede einzelne Verdichterstufe mit nachgeordneter Kühlereinheit in Form eines Zwischen- bzw. Nachkühlers versehen, wobei jeder Kühleinheit mindestens ein Bypassrohr zugeordnet ist.

Unabhängig von der konkreten Ausführungsform der Verdichtereinheit ist das mindestens eine zugeordnete Bypassrohr jedoch vorzugsweise derart auszulegen, dass selbst bei total eingefrorener Kühlereinheit die gesamte Förderleistung der vorgeschalteten Verdichtereinheit über das mindestens eine zugeordnete Bypassrohr leitbar ist.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig.1 eine perspektivische Außenansicht einer Kompressoranordnung, und

Fig.2 eine schematische Darstellung von Bypassmitteln an der Kühlereinheit der Kompressoranordnung nach Fig.1.

Gemäß Fig.l besteht eine Kompressoranordnung aus einer von einem Elektromotor 1 angetriebenen mehrstufigen Verdichtereinheit 2 zur Erzeugung von Druckluft. Zu diesem Zwecke wird aus der Umgebung über eine Filtereinheit 3 Luft angesaugt. Jeder Verdichterstufe der Verdichtereinheit 2 ist eine eigene Kühlereinheit 4a und 4b zugeordnet, welche zur Abkühlung der in der jeweiligen vorgeordneten Verdichterstufe erzeugten Druckluft dienen. Insoweit ist die einer ersten Verdichterstufe nachgeschaltete Kühlereinheit 4a als Zwischenkühler und die einer zweiten Verdichterstufe der Verdichtereinheit 2 nachgeordnete Kühlereinheit 4b als Nachkühler zu bezeichnen. Jede Kühlereinheit 4a und 4b verfugt über einen Einlass 5 für eintretende aufgeheizte Druckluft. Von hier aus gelangt die aufgeheizte Druckluft zur Abkühlung über eine kühlluftumströmte Kühlstruktur 6, welche - in an sich bekannter Weise - aus mehreren parallel geschalteten Kühlkanälen kleineren Durchmessers strömt, um die Kühlereinheit 4a oder 4b über einen Auslass 7 wieder zu verlassen. Die Kühlluft zur Umströmung der Kühlstruktur 6 wird erzeugt über ein zwischen den Kühlereinheiten 4a und 4b sowie der Verdichtereinheit 2 angeordnetes motor- oder wellenbetriebenes Lüfterrad 8.

Gemäß Fig.2 weist die hier exemplarisch dargestellte Kühlereinheit 4a zwischen dem Einlass 5 und dem Auslass 7 ein Bypassrohr 9 zur Vermeidung eines Einfrierens der Kühlereinheit 4a bei geringen Umgebungstemperaturen auf.

Das durchgängige, permanent offene Bypassrohr 9 zeichnet sich durch einen Innenquerschnitt aus, welcher derart auf die Förderleistung der Verdichtereinheit 2 sowie die Druckdifferenz zwischen Einlass 5 und Auslass 7 abgestimmt ist, dass das Bypassrohr 9 bei normalen Umgebungstemperaturen einen höheren Strömungswiderstand als die Kühlstruktur 6 verursacht, wogegen bei fortschreitendem Einfrieren der Kühlstruktur 6 in Folge Kristallanlagerung an Wandung und Innenlamellen die Druckluft zunehmend über das Bypassrohr 9 strömt. Es hat sich gezeigt, dass das Bypassrohr 9 bei diesen Bedingungen selbst nicht einfriert, da es zügig aufgeheizt wird durch die Druckluft selbst sowie deren Strömungsreibung im Bypassrohr 9.

Somit wird die Drucklufterzeugung unter minimalem Verlust von Kühl- und Förderleistung aufrechterhalten.

Das Bypassrohr 9 ist hier als eine horizontale gerade Rohrleitung ausgeführt, welche im Strom der die Kühlereinheit 4a durchströmenden Kühlluft liegt, um das Bypassrohr 9 mitzu- kühlen. Zusätzlich ist in die Wandung des Bypassrohres 9 bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ein Sicherheitsventil 10 eingefügt, welches ab einem definierten Druckwert öffnet, um ein Platzen des Bypassrohres 9 zu verhindern. Des weiteren kann das Bypassrohr 9 im Inneren auch Oberflächen- und Querschnittsveränderungen zur Erzielung einer Düsenfunktion haben kann, falls strömungsdynamisch sinnvoll.

Bezueszei chenliste

Elektromotor

Verdichtereinheit

Filtereinheit

Kühlereinheit

Einlass

Kühlstruktur

Auslass

Lüfterrad

Bypassrohr

Entwässerungs- und/oder Sicherheitsventil