(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフト・ハウジング（３８）内に位置するクランクシャフト（３０）と、
内部を移動するピストン（４０、４２、４３、４４、４６、４８）を有する複数個のシリンダ（２０、２２、２４）とを有し、
低圧段の２つまたはそれ以上の低圧シリンダ（２０、２２、２３）と、高圧段の少なくとも１つの高圧シリンダ（２４、２６、２８）とが形成され、
前記２つ、または３つ、またはそれ以上の低圧シリンダ（２０、２２、２３）は、互いに同相に、すなわち±１５°未満の位相差を有すると共に、１つまたはそれ以上の高圧シリンダ（２４、２６、２８）に対しては１８０°±２０°だけ偏位して圧縮するように配置さている２段ピストン・コンプレッサ用のピストン機構であって、
前記低圧段のピストン・シリンダ機構は、吸入プロセスにおいて前記低圧段のピストンがクランクシャフト（３０）の方向に移動し、そこで空気を前記クランクシャフト・ハウジング（３８）の内室に圧縮し、またその際に空気は該クランクシャフト・ハウジング（３８）の内室から前記低圧シリンダ（２０、２２、２３）の圧縮室へと吸入されることを特徴とするピストン機構。
【請求項２】
該ピストン機構は、オイル潤滑式のピストン機構であることを特徴とする請求項１に記載のピストン機構。
【請求項３】
該ピストン機構は、乾式のピストン機構であることを特徴とする請求項１に記載のピストン機構。
【請求項４】
該ピストン機構は、２つまたはそれ以上の低圧シリンダ（２０、２２、２３）および１つまたはそれ以上の高圧シリンダ（２４、２６、２８）を有する６シリンダ、５シリンダ、４シリンダ、または３シリンダ機構であることを特徴とする請求項１乃至３の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項５】
該ピストン機構は、２つの低圧シリンダ（２０、２２）と１つの高圧シリンダ（２４）とを含む３シリンダ機構として実施され、該高圧シリンダ（２４）と該低圧シリンダ（２２）とには、別の低圧シリンダ（２０）が対向していることを特徴とする請求項１乃至４の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項６】
前記シリンダ（２０、２２、２３、２４、２６、２８）の前記ピストン（４０、４２、４３、４４、４６、４８）は、圧縮プロセスの前記圧力ピークにおける質量に基づく力が、１５００／分から２０００／分の回転数範囲では、前記圧力ピークにおけるガス力の１５％以上であるような大きい質量を備えることを特徴とする請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項７】
振動する質量（ピストン、ピストン・ロッド）の質量平衡は、前記ピストン（４０、４２、４３、４４、４６、４８）の少なくとも１つ、および／またはピストン・ロッドの付加質量を利用して行われることを特徴とする請求項１乃至６の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項８】
振動する質量の質量平衡は、圧縮作用を行わないピストンである従動する釣り合いピストン（５０）を利用して行われることを特徴とする請求項１乃至７の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項９】
振動する質量の質量平衡は、前記クランクシャフト（３０）への付加質量を利用して行われることを特徴とする請求項１乃至８の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項１０】
前記クランク・ハウジング（３８）への吸入口には、逆流防止弁が配置されることを特徴とする請求項１乃至９の内のいずれか１項に記載のピストン機構。
【請求項１１】
ピストン機構が請求項１乃至１０の内のいずれか１項に記載のピストン機構を含むことを特徴とする鉄道車両用のピストン・コンプレッサ。
【請求項１２】
該ピストン・コンプレッサは、電動モータ駆動機構（６０）を含むことを特徴とする請求項１１に記載のピストン・コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、クランクシャフトと、シリンダの内部を移動するピストンを有する複数個のシリンダとを有し、２つまたはそれ以上の低圧シリンダと、少なくとも１つの高圧シリンダとが形成されている２段ピストン・コンプレッサ用のピストン機構、並びにこのようなピストン機構を有する鉄道車両用のピストン・コンプレッサに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ドイツ特許明細書第７６５９９４号に記載の機構は、シリンダとクランク半径とが、質量の力（Massenkrafte）ができるだけ良好に平衡されるように設計されていることを特徴としている。振動により誘発される成分としてのガス力（Gaskrafte）については言及されていない。それぞれの圧縮段に個々のシリンダを割当てることは、この先行技術（Entge-genhaltung）では行われていない。
【０００３】
クランクシャフトと、複数のシリンダと、その内部を移動するピストンとを有するピストン・コンプレッサは、例えばドイツ特許明細書第７６５９９４号から既知である。
【０００４】
鉄道車両の構造では、軽量構造が採用されることが多くなっている。例えば、アルミニウム押し出し成形からなる新型の軽量車体構造、または薄板からなる支持構造体は、空気供給装置のコンプレッサの回転数に近い固有振動数を有している場合が多い。このような構造では、固体伝達音（Korpeshallpegel）の許容レベルを超える場合が多いのでピストン・コンプレッサを使用できないことが多い。
【０００５】
その原因は、ピストンを使用する機械が構造上、クランク機構の振動質量により質量の力およびモーメントを誘発し、かつガス力によるモーメントを生成することによる。特に鉄道車両の分野で頻繁に採用される２段ピストン・コンプレッサの場合は、極めて不均一な回転モーメントが発生する。このようなコンプレッサの標準的な負荷モーメントの分析によって示されるように、負荷モーメントの大部分は、２０Ｈｚないし３０Ｈｚの範囲にある場合が多いピストン使用機械の回転振動数に対応する。例えば、膝を延ばした脚の固有振動数が約２０Ｈｚである場合があるので、このような振動数は、客室内にいる人にとっては、特に感知し易い。
【０００６】
ピストン・コンプレッサの上記の負荷モーメントは、モータとの相互作用によってコンプレッサの回転軸を中心にした振動励起モーメント（Erregermoment）を発生する。従来のピストン・コンプレッサ集合体のコンプレッサの回転軸を中心にした慣性モーメントは、他の軸を中心にした慣性モーメントよりも大幅に小さい。コンプレッサの縦軸を中心にした弾性軸受の伝達モードは、通常は、例えば質量の力の伝達に重要な役割を果たす垂直モードの場合よりも回転振動数に近いので、このような回転振動は、通常は他の振動励起成分のように良好には遮断されない。
【０００７】
本発明の目的は、前述の欠点を回避するピストン・コンプレッサ機を提供することにある。
【０００８】
【発明の概要】
本発明に基づいて上記の課題は、特別なピストン機構によって２つまたはそれ以上の低圧段が同相に重複され、かつ高圧段に対して約１８０°偏位されて作用することによって、主としてガス力に起因する負荷モーメントの第１次の部分を大幅に低減させることによって達成される。このことは、構造的に、クランクシャフトと、シリンダの内部を移動するピストンを備える複数個のシリンダとを有し、２つまたはそれ以上の低圧シリンダと、少なくとも１つの高圧シリンダとが形成される２段ピストン・コンプレッサ用のピストン機構において、２つ、または３つ、またはそれ以上の低圧シリンダが、高圧シリンダに対して、２つまたはそれ以上の低圧シリンダが同相に、すなわち±１５°未満だけ偏位され、かつ１つまたはそれ以上の高圧シリンダに対して１８０°±２０°だけ偏位されて圧縮するように配置されることによって達成される。
【０００９】
発明者には、１つまたはそれ以上の高圧シリンダに対する総ての低圧シリンダの位相偏位によっても回転力グラフでの第１次部分の大幅な低減が達成され、ひいてはコンプレッサの回転軸を中心にした振動励振モーメントの大幅な低減が達成されることが判明した。
【００１０】
本発明の第１の実施形態では、ピストン機構は、オイル潤滑式のピストン機構である。
【００１１】
しかし、ピストン機構が「オイルなしの」乾式であることが特に好適である。本発明の特別の構成では、ピストン機構は、２つの低圧シリンダと１つの高圧シリンダとを有する３シリンダ機構であり、高圧シリンダには、別の低圧シリンダが対向している。このような機構は、特にスペースをとらない。勿論、本発明に基づく教示内容を利用した４シリンダ、５シリンダ、または６シリンダ機構も考えられよう。
【００１２】
有利な実施例では、重いピストンを使用することによって、高まったピストンの動力学エネルギが圧縮作用に変換されるので、回転力グラフ中の圧力ピークは明確に低下される。特に、シリンダのピストンは、接線力グラフ中の圧力ピークが低減するような大きい質量を備える必要があり、接線力グラフに現れる圧力ピークにおける質量の力は、ピストン・コンプレッサにとって標準的な１０００／分から２０００／分、特に１５００／分の回転数範囲では、圧力ピークにおけるガス力の１５％より大きい。本件出願における接線力グラフとは、回転モーメント曲線／クランク半径のことであると理解されたい。
【００１３】
有利な実施形態では、例えば３シリンダ機構の場合、高圧シリンダの側に位置する低圧シリンダの質量、すなわちピストン質量および／またはピストン・ロッド質量は、双方とも同じクランクシャフト行程の側にある対向する低圧ピストン、並びに高圧ピストンを平衡するように選択される。その際に、このような平衡は、ピストンでもピストン・ロッドでも行われる。質量平衡に起因するピストン質量の増加によって、ピストン・ロッドにおける軸受負荷が低減する。
【００１４】
付加質量を利用した質量平衡の他に、従動する釣り合いピストンを利用して振動質量を平衡することも可能である。本件出願では、釣り合いピストンとは、圧縮作用を行わないピストンのことであるものと理解される。
【００１５】
好適には、ピストンは、低圧ピストンがクランク・ハウジングを介して同相に吸入するように構成され、吸入プロセスでクランク・ハウジング内に突入する双方の低圧段が空気を圧縮室に押し込む。それによって、低圧段における吸入圧が低下し、充填が改善される。特に有利な実施形態では、この効果は、空気フィルタ・ハウジングからクランク・ハウジングへの吸入口に逆流防止弁を使用することによって強化される。逆流防止弁の機構によって、特に乾式のピストン機構の効率が改善される。
【００１６】
ピストン機構の他に、本発明はまた、有利には電動モータ駆動機構を含むこのようなピストン機構を含む、特に鉄道車両用のピストン・コンプレッサを提供する。このピストン機構は、産業分野における圧縮空気発生装置に利用することもできる。
【００１７】
【実施形態の詳細な説明】
引き続いて、図面を使用して本発明の説明を行う。
【００１８】
図１には、例えばＤＵＢＢＥＬ、機械設計ハンドブック１５版もしくは１８版の３２ページから３３ページのような先行技術から既知であるようなピストン機構の接線力グラフが示されている。ここでｘ軸は、回転角を度で示し、ｙ軸は、対応するモーメントを示す。参照符号１は、ガス力によるモーメントを示し、符号３は、質量の力およびガス力による全モーメントを示し、符号５は、質量の力によるモーメントを示す。
【００１９】
先行技術によるコンプレッサの質量の力およびガス力による、図１に示された負荷モーメントのフーリエ解析は、以下の部分に区分することができる。
第１次：４０Ｎｍ
第２次：２０Ｎｍ
第３次：７Ｎｍ
【００２０】
負荷モーメントの大部分は、２０Ｈｚ、２５Ｈｚ、または３０Ｈｚである場合が多いピストンを使用した機械の回転振動数に対応する。これらの振動数は、例えば、鉄道車両の客室内の乗客にとって十分に感知され得る。このように、膝を延ばした脚の固有振動数は、約２０Ｈｚである場合がある。
【００２１】
ピストン・コンプレッサの負荷モーメントは、モータとの相互作用でコンプレッサの縦軸を中心にした励振モーメントを発生し、従来のピストン・コンプレッサ集合体のコンプレッサ縦軸を中心にした慣性モーメントは、他の軸を中心とした慣性モーメントより大幅に小さい。コンプレッサ縦軸を中心にした弾性軸受の伝達モードは、通常は、質量の力の伝達にとって重要な役割を果たす、例えば垂直モードよりも回転振動数に近い。このような回転振動は、通常は別の振動励起成分よりも遮断され難い。
【００２２】
本発明に基づいて、従来のピストン・コンプレッサの振動の問題は、主としてガス力に起因する負荷モーメントの第１次の部分が大幅に低減されることによって解決される。第１次部分のこのような低減は、２つまたはそれ以上の低圧段が同相に重複し、高圧段に対して約１８０°だけ偏位されて作用するピストン機構によって達成可能である。
【００２３】
このような機構の接線力グラフは、図２に示されている。図１と同様に参照符号１は、ガス力によるモーメントを示し、符号３は、質量の力およびガス力によるモーメントを示し、符号５は、質量の力によるモーメントを示す。
【００２４】
図２の曲線のフーリエ解析の結果は、以下のとおりである。
第１次：１９Ｎｍ
第２次：２８Ｎｍ
第３次：７Ｎｍ
【００２５】
第１次の部分は、大幅に低減し、それはコンプレッサ縦軸を中心にした低減した振動励振で表される。このようにして客室内の好ましくない振動は、著しく低減し、もしくはほぼ完全に回避できる。
【００２６】
図３には、本発明によるピストン機構を有するピストン・コンプレッサが例示的に示されている。図３に示した実施形態は、低圧段を形成し、かつ低圧段の１つの高圧シリンダ２４の前に備えられた２つの低圧シリンダ２０、２２を有する３シリンダ対向型機構であるが、それに限定されるものではない。
【００２７】
３つのシリンダのピストン４０、４２、４４は、玉軸受、またはころ軸受３４を使用してピストン・ロッド３２を介して共通のクランクシャフトに支承される。
【００２８】
機構を冷却するために、クランクシャフト３０の前側には、ファン・ホイール３６が備えられており、これはクランクシャフト３０の回転時に、双方の低圧段と高圧段とが内部に配設されているハウジング３８の空気を冷却する。
【００２９】
図３に示されている位置では、低圧シリンダのピストン４０、４２は、最上位にある。高圧ピストン４４は、シリンダの上端部にある。クランクシャフト３０が移動すると、低圧シリンダの双方のピストン４０、４２は、同相に、また高圧段のピストン４４に対して１８０°偏位して移動する。
【００３０】
図３に示されている実施形態は、クランク・ハウジングを経た吸気通路を備えた、オイルなしで圧縮するピストン・コンプレッサである。
【００３１】
個々のピストン４０、４２、４４は、パッキン部材５０によってシリンダに対して密封されている。クランクシャフト３０の駆動は、電動モータ６０によって行われる。
【００３２】
引き続いて、図３で示されるピストン・コンプレッサの作用方式をより詳細に述べる。
【００３３】
低圧段における圧縮プロセスでは、クランク・ハウジング３８から同相で突入する大きい低圧ピストン４０、４２がクランク・ハウジング３８内の空気容積を増大する。空気は、クランク・ハウジング内に吸入される。空気が圧縮室内に吸入されると、低圧ピストン４０、４２は、クランク・ハウジング３８内に突入する。クランク・ハウジング３８内の容積は、クランク・ハウジング３８からの空気が低圧段の圧縮室内に吸入される瞬間に縮小する。すなわち、低圧ピストン４０、４２のピストン下側は、クランク・ハウジング３８からの空気を低圧段の圧縮室内に押し込む。それによって、低圧段内の吸入負圧は、先行技術の実施例と比較して低下する。この作用は、空気フィルタ・ハウジングからクランク・ハウジング３８への吸入口に逆流防止弁を使用することによって補助され、特に効率が改善される。
【００３４】
本発明によるピストン・コンプレッサのその他の利点は、下記のとおりである。
【００３５】
ピストン・コンプレッサの負荷モーメントが大きく変動することによって、回転の不均一さが生ずる。このことは、コンプレッサのモーメント需要が低い場合に、モータ６０が負荷ピークに位相偏位して反応することで、Ｅモータ６０によって増強される。その結果生ずる回転時の回転数のバラツキは、先行技術のピストン・コンプレッサの場合の例えば±１４％である。この作用は、これまでは大きい振動質量を利用することによってのみ低減可能であったが、それは重量の点で望ましいことではなかった。更に、Ｅモータ６０によって明らかに消費電流（Stromaufnahme）が増加し、かつ力率が０．６まで大幅に低下し、従って、先行技術の実施形態では大型なものにしなければならない。本発明によって負荷モーメントの第１次部分が大幅に低減することによって、この作用は低減される。回転の不均一さは低減し、これは本発明によって例えば０．１５から０．０８へと低減する。モータの消費電流は、低下する。本発明による機構では、効率は、例えばＬｆ＝０．７から０．８へと著しく高まる。
【００３６】
重いピストンを使用することによって、別の実施形態では、高められたピストンの動力学エネルギが圧縮作用に変換されるので、回転力グラフにおける圧力ピークが明確に低下する。シリンダのピストンが、接線力グラフにおける圧力ピークが低下するような高い質量を有していることが特に好適であり、接線力グラフに現れる圧力ピークでの質量の力は、１０００／分と２０００／分の回転数範囲では、圧力ピークでのガス力の１５％より大きい。
【００３７】
このようにして、第１次、第２次、第３次の総ての振動励起モーメントをさらに低減することが可能である。
【００３８】
振動し、回転する質量の質量平衡を達成するため、高圧シリンダ側にある低圧シリンダの質量として、対向する低圧ピストン並びに高圧ピストンを平衡するような質量が選択される。平衡は、ピストンでも、ピストン・ロッドでも行うことができる。質量平衡によって生ずるピストン質量の増加によってピストン・ロッドでの軸受負荷が低下する。これは、高圧シリンダの側にある低圧段のピストン・ピン軸受における負荷にとって好適であるが、その理由は、隣接する高圧段によって低圧段が冷却され難いからである。
【００３９】
図４ａ〜図４ｄには、対向するシリンダを有する本発明による機構が示されている。図４ａは、詳細に前述したような３シリンダ機構を示している。図４ｂは、本発明による６シリンダ機構を示し、図４ｃは、４シリンダ機構を、また図４ｄは、５シリンダ機構を示す。高圧ピストンには、参照符号４４、４６が付され、低圧シリンダには、参照符号４０、４１、４２、４３が付されている。高圧シリンダには、参照符号２４、２６が付され、低圧シリンダには、参照符号２０、２１、２２、２３が付されている。１８０Ｖのピストン機構の他に、タンデム機も考えられる。
【００４０】
図５ａは、本発明による４シリンダ・タンデム機を示し、図５ｂは、３シリンダ・タンデム機を示す。
【００４１】
図６には、圧縮作用を行わず、質量平衡のためだけに用いられる従動する釣り合いピストン５０を有する３シリンダのタンデム機が示されている。図４ａ〜図４ｄと同様に、高圧ピストンは、参照符号４４で示され、低圧ピストンは、符号４０、４２で、高圧シリンダは、符号２４で、また低圧シリンダは、符号２０、２２で示されている。
【００４２】
従って、本発明によって、先行技術によるピストン・コンプレッサの場合に圧縮力から生ずるような第１次の好ましくない振動を低減可能であるピストン機構とピストン・コンプレッサが初めて提供される。
【００４３】
このことは、図７ａ〜図７ｃから特に良く分かる。図７ａには、本発明による２つの低圧シリンダ２０、２２と１つの高圧シリンダ２４とを有するコンプレッサが概略的に示されている。更に、例えば、鉄道車両への可能な４つのサスペンション７０、７２、７４、７６が示されている。シリンダは、ｘ−ｙ面に位置し、ｚ軸は、シリンダ軸に対して垂直に、サスペンション７０、７２、７４、７６方向に位置している。
【００４４】
図７ｂは、先行技術によるコンプレッサの場合のｚ方向での第１次のコンプレッサ振動の時間に応じた曲線を示す。図７ｃは、本発明によるコンプレッサの場合のｚ方向での第１次のコンプレッサ振動の時間に応じた曲線を示す。図７ｂ及び図７ｃの振動の振幅を比較すると明らかであるように、本発明によるコンプレッサの振動の振幅は、先行技術のそれと比較して、少なくとも半減している。本発明の特に好適な実施形態では、本発明によるコンプレッサの振幅は、先行技術によるコンプレッサの振幅の３分の１に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  例えばＤＵＢＢＥＬ、機械設計ハンドブック１５版もしくは１８版の３２ページないし３３ページから既知であるような従来の対向機構の２段ピストン・コンプレッサの接線力曲線である。
【図２】  本発明によるピストン・コンプレッサの接線力曲線である。
【図３】  本発明によるピストン・コンプレッサの断面図である。
【図４ａ】  対向コンプレッサ（Boxerverdichter）として実施された本発明によるピストン機構の可能な実施例である。
【図４ｂ】  対向コンプレッサとして実施された本発明によるピストン機構の可能な実施例である。
【図４ｃ】  対向コンプレッサとして実施された本発明によるピストン機構の可能な実施例である。
【図４ｄ】  対向コンプレッサとして実施された本発明によるピストン機構の可能な実施例である。
【図５ａ】  タンデム機として実施された本発明によるピストン機構の実施例である。
【図５ｂ】  タンデム機として実施された本発明によるピストン機構の実施例である。
【図６】  釣り合いピストンを有するピストン機構の実施例である。
【図７】  先行技術と本発明とによる実施形態での垂直方向のコンプレッサ振動の振幅である。
【符号の説明】
１              ガス力によるモーメント
３              質量の力およびガス力によるモーメント
５              質量の力によるモーメント
２０、２２、２３  低圧シリンダ
２４、２６、２８  高圧シリンダ
３０              ピストンシャフト
３２              ピストン・ロッド
３４              玉軸受
３６              ファン・ホイール
３８              ハウジング
４０、４２、４３  低圧ピストン
４４、４６、４８  高圧ピストン
４９              パッキン部材
５０              釣り合いピストン
６０              電動モータ
７０、７２、７４、７６  サスペンション
【図１】
0004773022.tif 000002
【図２】
0004773022.tif 000003
【図３】
0004773022.tif 000004
【図４ａ】
0004773022.tif 000005
【図４ｂ】
0004773022.tif 000006
【図４ｃ】
0004773022.tif 000007
【図４ｄ】
0004773022.tif 000008
【図５ａ】
0004773022.tif 000009
【図５ｂ】
0004773022.tif 000010
【図６】
0004773022.tif 000011
【図７ａ】
0004773022.tif 000012
【図７ｂ】
0004773022.tif 000013
【図７ｃ】
0004773022.tif 000014