Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kompressor mit einem solchen mehrstufigen Verdichter sowie ein Betriebsverfahren eines solchen mehrstufigen Verdichters.

Mehrstufige Verdichter bzw. mehrstufige Kompressoren sind hinlänglich bekannt und besitzen üblicherweise zumindest eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe, wobei die Hochdruckstufe einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt ist und dadurch oftmals einen Schwachpunkt eines derartigen mehrstufigen Verdichters darstellt.

Mehrstufige Verdichter können beispielsweise mehrere Kolben-Zylinder- Aggregate aufweisen, wovon beispielsweise ein Kolben-Zylinder-Aggregat eine Hochdruckstufe und ein Kolben-Zylinder-Aggregat eine Niederdruckstufe bildet. In der Niederdruckstufe wird dabei das zu verdichtende Gas, beispielsweise Luft, auf eine erste Druckstufe (vor-)verdichtet und anschließend dem zumindest einen zweiten Kolben-Zylinder-Aggregat, demzufolge der Hochdruckstufe, zugeführt. Dazwischen kann selbstverständlich noch ein Ladeluftkühler liegen.

Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Verdichtern ist jedoch, dass sich insbesondere die Kolbenringe in der Hochdruckstufe aufgrund der höheren Belastung schneller abnutzen, so dass ein Ausfall des mehrstufigen Verdichters bei selbst noch ordnungsgemäß arbeitenden Niederdruckstufen allein aufgrund einer verschlissenen Hochdruckstufe auftreten kann. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen mehrstufigen Verdichter anzugeben, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen mehrstufigen Verdichter mit zumindest einer Hochdruckstufe und mit zumindest einer Niederdruckstufe anzugeben, welcher im Betrieb derart geschaltet wird, dass nicht nur ein einziges Kolben-Zylinder-Aggregat ständig die Hochdruckstufe bildet, sondern die Hochdruckstufe über sämtliche Kolben-Zylinder-Aggregate wandert, wodurch eine gleichmäßige Abnutzung und damit eine längere Lebensdauer erzielt werden können. Hierzu wird eine sogenannte "taktende" Ventileinrichtung eingesetzt, welche je nach Schaltstellung die Hochdruckstufe bei jedem Takt eine Position weitergibt, das heißt einem jeweils nachfolgenden Kolben-Zylinder- Aggregat zuweist. Der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter besitzt dabei zumindest zwei über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle angetriebene Kolben, die in zugehörigen Zylindern eines jeweiligen Kolben-Zylinder-Aggregats geführt sind und die die zumindest eine Hochdruckstufe bzw. die zumindest eine Niederdruckstufe bilden. Selbstverständlich können dabei auch insgesamt drei oder mehr Kolben-Zylinder-Aggregate vorgesehen sein, wovon eines jeweils eine Hochdruckstufe und die zwei bzw. mehreren anderen jeweils die vorgeschalteten Niederdruckstufen bilden. Darüber hinaus vorgesehen ist eine mit den einzelnen Zylindern kommunizierende Leitungsanordnung zum Zuführen und Abführen von Luft zu und aus den einzelnen Zylindern. In dieser Leitungsanordnung ist nun erfindungsgemäß die schaltbare Ventileinrichtung angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass die Hochdruckstufe je nach Schaltstellung unterschiedlichen Zylindern zugeordnet ist, insbesondere dass die zu- mindest eine Hochdruckstufe bei jedem Zylinder-Arbeitstakt einen Zylinder bzw. ein Kolben-Zylinder-Aggregat weiter wandert.

Hierbei ist es auch denkbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate in gleicher Weise belastet und daher auch abgenutzt werden. Ebenso ist ein Wechseln der Hochdruckstufe bei jedem neuerlichen Anlaufen/Starten des Kompressors denkbar.

Die Ventileinrichtung kann dabei mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder auch auf andere Weise ausgeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform des mehrstufigen Verdichters ist es möglich, Kolben-Zylinder-Aggregate mit gleichen Abmessungen zu verwenden, wohin entgegen beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Verdichter eine Hochdruckstufe jeweils mit kleinerem Volumen ausgeführt wird. Durch die bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter nunmehr erstmals gleichen Abmessungen können Standardteile verwendet werden, wodurch sich die Teilevielfalt und damit auch die Lager- und Logistikkosten sowie die Montagekosten reduzieren lassen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters liegt darin, dass durch die wandernde Hochdruckstufe immer noch die Zur verfügungstellung von hoch verdichteter Luft möglich ist, selbst wenn ein Kolben-Zylinder-Aggregat ausfällt. Dies kann beispielsweise über entsprechende Sensoren detektiert werden, woraufhin eine Steuerung des mehrstufigen Verdichters das beschädigte oder nicht mehr korrekt arbeitende Kolben-Zylinder-Aggregat nicht mehr ansteuert und überspringt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Verdichtern führt ein Ausfall z.B. der Hochdruckstufe immer zum Ausfall des kompletten Verdichters. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemaßen Lösung ist ein der zumindest eine Niederdruckstufe nachgeschalteter und der zumindest einen Hochdruckstufe vorgeschalteter Vorverdichtungskühler vorgesehen. Über einen derartigen Vorverdichtungskühler lässt sich die thermische Energie, die der Luft beim Verdichten zugeführt wird, wieder entziehen, wodurch eine weitere Verdichtung leichter möglich ist. Selbstverständlich kann auch ein Hochverdichtungskühler der Hochdruckstufe nachgeschaltet sein, beispielsweise vor dem Einleiten der nun hochverdichteten Ladeluft in einen Druckspeicher, wodurch die Speicherkapazität gesteigert werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind eine Hochdruckstufe und drei Niederdruckstufen vorgesehen, ebenso vier über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle angetriebene Kolben, die in zugehörigen Zylindern in jeweils zugehörigen Kolben- Zylinder-Aggregaten geführt sind und die eine Hochdruckstufe und drei Niederdruckstufen bilden. Angetrieben werden kann ein derartiger Verdichter beispielsweise von einem Elektromotor. Selbstverständlich können auch hierzu alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters angedacht werden, mit beispielsweise insgesamt fünf, sechs oder mehr Verdichterstufen, wovon z.B. zwei als Hochdruckstufen und die restlichen als Niederdruckstufen fungieren. Durch den Umstand, dass bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter alle Verdichterstufen, das heißt alle Kolben-Zylinder-Aggregat, dieselben Dimensionen aufweisen, ist eine nahezu beliebige Skalierung möglich. Wird beispielsweise ein höherer Volumenstrom benötigt, können die Anzahl oder das Volumen der Verdichtereinheiten einfach erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kompressor, insbesondere einen ölfreien Kompressor, mit einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verschaltung auszustatten, wodurch eine an sich lang- lebige und zuverlässig arbeitende Funktionsweise erreicht werden kann, da der erfindungsgemaße mehrstufige Verdichter nicht nur weniger stark verschleißt und damit langlebiger ist, sondern rein theoretisch bei entsprechenden Detektionsein- richtungen und Sensoren sowie Steuerungseinrichtungen auch den Ausfall von zumindest einer Druckstufe problemlos kompensieren kann.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Betriebsverfahren des zuvor beschriebenen mehrstufigen Verdichters anzugeben, bei dem eine schaltbare Ventileinrichtung derart geschaltet wird, dass die Hochdruckstufe je nach Schaltstellung der Ventileinrichtung unterschiedlichen Zylinder zugeordnet wird, insbesondere dass die zumindest eine Hochdruckstufe bei jedem Arbeitstakt, das heißt bei einer Auf- und Abbewegung eines zugehörigen Kolbens in einem zugehörigen Kolben-Zylinder-Aggregat, einen Zylinder weiter wandert. Auch hierbei ist es denkbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate in gleicher Weise belastet und daher auch abgenutzt werden. Durch das kontinuierliche Wandern der zumindest einen Hochdruckstufe können die bislang in lediglich einem einzigen die Hochdruckstufe bildenden Kolben-Zylinder-Aggregat auftretenden Verschleißerscheinungen nun gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder- Aggregate verteilt werden, wodurch diese weniger stark verschleißen und dadurch insgesamt für den Kompressor eine höhere Lebenserwartung erreicht wird.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen mehrstufigen

Verdichter ohne nähere Darstellung einer erfindungsgemäßen zugehörigen Ventileinrichtung,

Fig. 2 eine zugehörige Ventileinrichtung in einer ersten Schaltstellung,

Fig. 3 eine Darstellung wie in Fig. 2, bei einer Ventileinrichtung in einer zweiten Schaltstellung,

Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform eines Ventilkörpers der Ventileinrichtung,

Fig. 5 ein oberes Teil des Ventilkörpers im Ansaugtakt,

Fig. 6 ein unteres Teil des Ventil körpers im Ausstoßtakt.

Entsprechend den Fig. 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer mehrstufiger Verdichter 1 zumindest eine Hochdruckstufe 2 und zumindest eine Niederdruckstufe 3 auf. Gemäß der Fig. 2 weist der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter 1 insgesamt vier Druckstufen auf, wovon eine als Hochdruckstufe 2 und drei als Niederdruckstufen 3 ausgebildet sind. Jede Druckstufe 2, 3 besitzt dabei ein eigenes Kolben-Zylinder-Aggregat 4 mit einem Zylinder 5 und einem darin translatorisch verstellbar gelagerten Kolben 6, wobei die Kolben 6 über eine gemeinsame und in einem Kurbelgehäuse 7 (vgl. Fig. 1 ) gelagerte Kurbelwelle 8 angetrieben sind. Ebenfalls vorgesehen ist eine mit den einzelnen Zylindern 5 kommunizierende Leitungsanordnung 9 zum Zuführen und Abführen von Luft zu und aus den Zylindern 5. In der Leitungsanordnung 9 (vgl. insbesondere die Fig. 2 und 3) ist dabei erfindungsgemäß eine schaltbare Ventileinrichtung 10 angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass die Hochdruckstufe 2 je nach Schaltstellung eines Ventilkörpers 1 1 der Ventileinrichtung 10 unterschiedlichen Zylindern 5 zugeordnet ist bzw. wird, insbesondere dass die zumindest eine Hochdruckstufe 2 bei jedem Arbeitstakt eines Kolbens 6 einen Zylinder 5 weiter wandert. Alternativ ist auch vorstellbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe 2 zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 in gleicher weise belastet und daher auch abgenutzt werden.

Gemäß der Fig. 2 ist dabei die Ventileinrichtung 10 in einer Ansaugstellung gezeigt, bei welcher die Niederdruckstufen 3 über den Ventilkörper 1 1 der Ventileinrichtung 10 Luft aus dem Kurbelgehäuse 7 ansaugen. Die Ansaugung kann wahlweise auch direkt aus der Umgebungsluft bzw. einem dazwischengeschalteten Filter erfolgen. Gleichfalls wird bereits in einem vorhergehenden Arbeitstakt vorverdichtete und über den Vorverdichtungskühler 12 gekühlte Luft angesaugt und über den Ventilkörper 1 1 der Ventileinrichtung 10 der Hochdruckstufe 2, das heißt also dem links oben abgebildeten Kolben-Zylinder-Aggregat 4 zugeführt. In einem nächsten Arbeitstakt, bei einem sich somit anschließenden Verdrehen des Ventilkörpers 1 1 der Ventileinrichtung 10 im Uhrzeigersinn, würde die Hochdruckstufe 2 von links oben nach rechts oben wandern und in gleicher weise die Niederdruckstufen 3 um jeweils ein Kolben-Zylinder-Aggregat 4 im oder gegen den Uhrzeiger- sinn verdreht werden. Selbstverständlich sind auch andere Bewegungen des Ventilkörpers 1 1 denkbar, beispielsweise translatorische.

Betrachtet man die Fig. 3, so kann man dort einen Ausstoßtakt erkennen, bei welchem die nun vorverdichtete Luft aus den drei Niederdruckstufen 3 über den Ventilkörper 1 1 der Ventileinrichtung 10 dem ersten Vorverdichtungskühler 12 zugeleitet wird. Gleichfalls wird in der Hochdruckstufe 2 hoch verdichtete Ladeluft über den Ventilkörper 1 1 der Ventileinrichtung 10 beispielsweise einem zweiten Hochverdichtungskühler 13 und/oder schließlich einem Druckspeicher 14 zugeführt. Durch ein Verdrehen des Ventilkörpers 1 1 im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt dazu wird mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 10 und der zugehörigen Leitungsanordnung 9 ein Wandern der jeweiligen Hochdruckstufe 2 über die einzelnen Kolben-Zylinder-Aggregate 4 erreicht, wodurch die bei der Hochdruckstufe 2 vermehrt auftretenden Verschleißerscheinungen gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 verteilt werden können und wodurch die Lebenserwartung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters 1 deutlich steigt.

Gemäß der Fig. 2 sind dabei der Übersichtlichkeit halber lediglich die Einlassleitungen der Leitungsanordnung 9 in die jeweiligen Kolben-Zylinder-Aggregate 4 dargestellt, während gemäß der Fig. 3 lediglich die Auslassleitungen dargestellt sind. Selbstverständlich besitzt jedoch die Leitungsanordnung 9 immer jeweils eine Einlass- und Auslassleitung zum bzw. aus dem jeweiligen Kolben-Zylinder- Aggregat 4.

In dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Verdichter 1 sind dabei insgesamt jeweils drei Niederdruckstufen 3 und jeweils lediglich eine einzige Hochdruckstufe 2 vorgesehen, wobei selbstverständlich auch noch weitere Niederdruckstufen 3 bzw. Hochdruckstufen 2 vorgesehen werden können. Betrieben wird der erfindungsgemäßen mehrstufige Verdichter 1 , in dem die schaltbaren Ventileinrichtung 10 derart geschaltet wird, dass die Hochdruckstufe 2 je nach Schaltstellung unterschiedlichen Zylindern 5, das heißt unterschiedlichen Kolben-Zylinder-Aggregaten 4, zugeordnet wird, so dass die zumindest eine Hochdruckstufe 2 bei jedem Arbeitstakt des Kolbens 6 bzw. bei jedem Schalttakt der Ventileinrichtung 10 einen Zylinder 5 bzw. einen Kolben-Zylinder-Aggregat 4 weiter wandert. Alternativ ist auch vorstellbar, nicht bei jedem Arbeitstakt, sondern z.B. nur bei jedem zehnten Arbeitstakt die Hochdruckstufe 2 zu wechseln. Das heißt, über ein Zeitintervall t würden immer noch alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 in gleicher Weise belastet und die durch die Hochdruckstufe 2 bedingten erhöhten Verschleißerscheinungen gleichmäßig auf alle Kolben-Zylinder-Aggregate 4 umgelegt werden können. Der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter 1 besitzt darüber hinaus den großen Vorteil, dass beispielsweise durch den Ausfall einer einzigen Niederdruckstufe 3 diese durch Erkennen, beispielsweise mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung ausgeschaltet werden kann, so dass der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter 1 auch beim Ausfall einer einzigen oder mehrerer Niederdruckstufen 3 bzw. Hochdruckstufen 2 weiter funktioniert, da die Hochdruckstufe 2 nicht nur an ein einziges bzw. zumindest an jeweils festgelegte Kolben-Zylinder-Aggregate 4 gebunden ist.

Die Ventileinrichtung 10 weist gemäß der Fig. 4 einen drehbaren zylinderförmigen Ventilkörper 1 1 mit einem Oberteil 17 und einem Unterteil 18 auf und kann pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch schaltbar sein. Dabei sind in dem Ventilkörper 1 1 an dessen Mantelfläche unterschiedliche Eingänge 15 bzw. Ausgänge 16 angeordnet, die je nach Schaltstellung ihre Einlassfunktion bzw. Auslassfunktion auch wechseln können. Selbstverständlich können die Eingänge 15 und die Ausgänge 16 auch vertauscht angeordnet sein. Gemäß der Fig. 5 ist dabei ein oberer Teil 17 des Ventilkörpers 1 1 in einer Ansaugstellung gezeigt, bei welcher die Niederdruckstufen 3 Luft aus dem Kurbelgehäuse 7 oder aus der Umgebung, insbesondere über eine Filtereinrichtung, ansaugen. Dabei erfolgt ein Ansaugen von Luft über drei Eingänge 15a. Die angesaugte Luft wird dabei über die den Eingängen 15a zugeordneten Ausgänge 16a den als Niederdruckstufen 3 ausgeführten Kolben-Zylinder-Aggregaten 4 und nach dem Verdichtungstakt dem Vorverdichtungskühler 12 zugeführt. Der Begriff "Vorverdichtungskühler 12" ist dabei auf die Kühlung nach der Niederdruckverdichtung und vor der Hochdruckverdichtung bezogen. Gleichfalls wird bereits in einem vorhergehenden Arbeitstakt vorverdichtete und über den Vorverdichtungskühler 12 gekühlte Luft über den Eingang 15b angesaugt und über den Ventilkörper 1 1 der Ventileinrichtung 10 und den dem Eingang 15b zugeordneten Ausgang 16b der Hochdruckstufe 2, das heißt also dem links oben abgebildeten Kolben- Zylinder-Aggregat 4 zugeführt.

Betrachtet man die Fig. 6, so kann man dort einen unteren Teil 18 des Ventilkörpers 1 1 bei einem Ausstoßtakt erkennen, der gleichzeitig mit dem Ansaugtakt des oberen Teils 17 abläuft und bei welchem die nun vorverdichtete Luft aus den drei Niederdruckstufen 3 über die Eingänge 15a und die zugeordneten Ausgänge 16a des Ventil körpers 1 1 der Ventileinrichtung 10 dem ersten Vorverdichtungskühler 12 zugeleitet wird. Gleichfalls wird in der Hochdruckstufe 2 hoch verdichtete Ladeluft über den Eingang 15b des Ventil körpers 1 1 der Ventileinrichtung 10 und dem zugeordneten Ausgang 16b beispielsweise einem zweiten Hochverdichtungskühler 13 und/oder schließlich einem Druckspeicher 14 zugeführt. Durch ein Verdrehen des Ventilkörpers 1 1 im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt dazu wird mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 10 und der zugehörigen Leitungsanordnung 9 ein Wandern der jeweiligen Hochdruckstufe 2 über die einzelnen Kolben-Zylinder-Aggregate 4 erreicht, wodurch die bei der Hochdruckstufe 2 vermehrt auftretenden Verschleißerscheinungen gleichmäßig auf alle Kolben- Zylinder-Aggregate 4 verteilt werden können und wodurch die Lebenserwartung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichters 1 deutlich steigt.

Die beiden Teile 17, 18 sind relativ zueinander oder gemeinsam verdrehbar. Der Ansaugtakt wird über den unteren Teil 17 gesteuert. Der Ausstoßtakt über den oberen Teil 18, oder umgekehrt. Beide Teile 17, 18 bewegen sich gleichzeitig im oder gegen den Uhrzeigersinn, um eine präzise Taktung bei gleichzeitig robuster Bauweise zu ermöglichen. Es gibt aber keine Verbindung der Kanäle bzw.

Fräßungen zwischen dem Oberteil 17 und dem Unterteil 18.

Angetrieben werden kann die Kurbelwelle 8 und damit der mehrstufige Verdichter 1 beispielsweise über einen nicht gezeigten Elektromotor.

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