CH695869A5 - Mehrstufiger, zwischen Last- und Leerlaufbetrieb umschaltbarer Verdichter. - Google Patents

Description

  [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter, welcher zwischen Last- und Leerlaufbetrieb umschaltbar ist.

[0002] Gemäss dem japanischen Gebrauchsmuster Nr. 3-19 498 wird ein in einem Verdichter verdichtetes Gas teilweise abgezapft, um einen Motor oder magnetische Lager zu kühlen. Gemäss diesem Stand der Technik ist ein zentrifugal wirkendes Schaufelrad am einen Ende einer Drehwelle des Motors angeordnet, wobei die Drehwelle des Motors durch Magnetlager gelagert ist, um den eigentlichen Verdichter zu bilden, welcher mit einem Kondensator und einem Verdampfer zusammenwirkt, um einen Kühlkreislauf zu bilden.

   In diesem Kühlkreislauf wird ein Teil des Kühlmittels von einer Düse abgesprüht, um so die Motorwicklung und die Magnetlager zu kühlen.

[0003] In der japanischen Patentanmeldung Nr. 64-80 799 wird ein Verdichter beschrieben, in welchem eine Verdichterstufe mit einem Hochfrequenzmotor kombiniert ist, wobei dessen Drehwelle durch Magnetlager gelagert ist und das Ganze mit einem Teil der die Anlage bildenden Gehäuse gegen aussen abgedichtet ist. Bei diesem Verdichter können zwischen einer Mehrzahl von Verdichterstufen vorgesehene Gasleitungen als Oberflächenkühler dienen.

   D.h. ein Teil des durch den Oberflächenkühler zurückgekühlten, verdichteten Gases wird durch einen Zuführdurchgang einem Rotor des Hochfrequenzmotors zugeführt, wie auch einem Erreger-Rotor und den Magnetlagern, um all dies zu kühlen, und um anschliessend durch einen Auslassdurchgang einer Saugleitung zugeführt zu werden.

[0004] Bei Verwendung einer Kühleinrichtung gemäss dem japanischen Gebrauchsmuster 3-19 498 bei einem mehrstufigen Verdichter mit hohem Verdichtungsverhältnis muss das Kühlgas teilweise aus der Abströmseite der letzten Stufe abgezapft werden, um im Leerlaufbetrieb den nötigen Gasstrom zu bilden. Während dem Lastbetrieb wird somit ein Kühlluftstrom erzeugt, welcher grösser als notwendig ist, was wiederum unwirtschaftlich ist.

   Wenn andererseits das Kühlgas aus einer Zwischenstufe abgezweigt wird, aus wirtschaftlichen Überlegungen, wird während dem Leerlauf in einem Abzapfabschnitt ein negativer Druck vorherrschen, was zur Folge hat, dass das Kühlgas nicht durch den Motor geführt werden kann. Zudem bedingt der vorstehend beschriebene Kühlapparat einen Zentrifugal-Verdichter im Kühlkreislauf und setzt somit voraus, dass ein Kühlmittel zum Kühlen des Motors oder der Magnetlager verwendet wird, so dass für einen Verdichter für Druckluft oder industrielles Gas kein geeigneter Kühleffekt erzielt wird.

[0005] Bei dem in der japanischen Patentanmeldung Nr.

   64-80 799 beschriebenen Verdichter wird ein geteiltes Gehäuse benötigt und das Gehäuse muss von den Kühlschlangen eines Oberflächenkühlers umschlungen werden, so dass allein für den Zusammenbau der Einrichtung ein grosser Arbeitsaufwand erforderlich ist. Dabei wird auch die Kühlung während dem Leerlaufbetrieb nicht berücksichtigt.

   Ebenfalls findet die Rückführung des Kühlmittels vom Oberflächenkühler keine Beachtung, so dass sich in der verdichteten Luft im Betrieb Wasserdampf im Oberflächenkühler ablagern kann, oder ein Teil der anfallenden Flüssigkeit wird sogar dem Kühlgas beigemischt, was zu dessen Kondensation im Verdichter führen kann.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der Geräte des Standes der Technik zu verbessern und diejenige Kühlgasmenge zu gewährleisten, welche zur Kühlung des Motors in einem einfachen mehrstufigen Verdichter erforderlich ist, dessen Rotor vorzugsweise durch Magnetlager gelagert ist, und zwar sowohl im Leerlauf als auch im Lastbetrieb, dies unter bestmöglichen wirtschaftlichen Bedingungen.

[0007] Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen mehrstufigen Verdichter der eingangs genannten Art,

   welcher einfach im Aufbau ist und mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet.

[0008] Die gestellte Aufgabe wird nun bei einem mehrstufigen Verdichter, welcher zwischen Last- und Leerlaufbetrieb umschaltbar ist, erfindungsgemäss durch die Merkmale gemäss Anspruch 1 gelöst.

[0009] Besondere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch etwas näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1:<sep>ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines mehrstufigen Verdichters gemäss der Erfindung;


  <tb>Fig. 2:<sep>eine Draufsicht, eine Stirnansicht und einen Querschnitt durch einen mehrstufigen Verdichter gemäss Fig. 1;


  <tb>Fig. 3:<sep>einen Längsschnitt durch den Verdichter gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 mit konstruktiven Details und


  <tb>Fig. 4 und 5:<sep>Blockdiagramme, welche eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels zeigen.

[0011] In Fig. 2 der Zeichnung ist rein schematisch ein mehrstufiger Verdichter gemäss der Erfindung von drei verschiedenen Seiten her gezeigt. Im oberen Teil des Verdichters ist ein Saugdrosselventil 7 angeordnet, welches im Betrieb mit einem Saugfilter 13 und einem Anzapfventil zusammenwirkt. Gaskühler 6a, 6b sind in einem unteren Abschnitt des Verdichters vorgesehen. Eine erste Verdichterstufe 1a und eine zweite Verdichterstufe 1b weisen Ansaugdüsen an ihrem äusseren Umfang auf, um in radialer Richtung 4a, 4b anzusaugen. Eine Abblasdüse der ersten Verdichterstufe und Ansaug- und Abblasdüsen der zweiten Verdichterstufe sind direkt mit den Gaskühlern gekuppelt, um eine kompakte Bauart zu gewährleisten.

   Ein Kühlmitteldurchgang 14a ist auf dem äusseren Umfang eines Gehäuses für die zweite Verdichterstufe vorgesehen, um Gas von relativ niedriger Temperatur, gekühlt im Gaskühler 6a, aus einem Saugabschnitt abzusaugen, welcher sich unmittelbar vor dem Laufrad der zweiten Verdichterstufe befindet. Eine Öffnung 31 ist unmittelbar im Anschluss an den Kühlmitteldurchgang 14a angeordnet und dient zur Druckreduzierung.

   Anderseits ist ein weiterer Kühlmitteldurchgang 14b vor dem Saugfilter 13 angeordnet und steht mit diesem über einen Luftauslassdurchgang 18 in Verbindung, welcher sich vor dem Saugdrosselventil 7 und auf der Abströmseite des Anzapfventils 9 befindet.

[0012] Strömungsdurchgänge sind an die Kühlmitteldurchgänge 14a und 14b angeschlossen und weisen darin vorgesehene Kontrollventile 20a, 20b auf und sind ferner an einen Verteilerkasten 32 für das Kühlgas angeschlossen, dies stromabwärts von den Kontrollventilen 20a und 20b.

   In Fig. 2 nicht klar ersichtlich dargestellt werden flexible Rohre als Verbindung zwischen dem Kühlgas-Verteilerkasten und den Kühlgas-Zuführabschnitten 29a, 29b, 29c und 29d vorgesehen, welche sich auf der Aussenfläche eines Motors befinden. Ähnlich wird das Kühlgas, welches von den Kühlgas -Auslassabschnitten 30a, 30b, 30c, 30d und 30e abgeführt wird, über wiederum flexible Schläuche in einen weiteren Kühlgaskasten 33 geführt.

   Das Gas, welches einen Motor 2 gekühlt hat und zusammen mit anderen Kühlgaszuflüssen im Kasten 33 endet, fliesst durch einen Abschnitt 15, welcher sich auf der Aussenseite des Gehäuses der ersten Verdichterstufe befindet, um in den Saugabschnitt zurückgeführt zu werden, welcher sich unmittelbar vor einem Schaufelrad der ersten Verdichterstufe befindet.

[0013] Der Motor 2 ist ein schnelllaufender Motor, welcher von einem Wandler gesteuert wird und dessen Drehwelle durch Magnetlager gelagert ist. In Nähe des Verdichters ist ein Steuertableau für die Stromzufuhr vorgesehen, Steuerungseinrichtungen für den Umformer, für die Magnetlager und dergleichen (nicht dargestellt).

[0014] Ein Flussdiagramm der Ausführungsform des mehrstufigen Verdichters gemäss Fig. 2 wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 1 und 3 näher beschrieben.

   Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verdichtersystems gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen mehrstufigen Verdichters. Bei dieser Ausführungsform wird der mehrstufige Verdichter dazu benutzt, ein Gas mit konstantem Druck bereitzustellen, wie z.B. für die Druckluftversorgung einer Fabrik, in welcher Druckluft als Arbeitsgas verwendet wird.

[0015] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Verdichter 1a und 1b, welche eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe des mehrstufigen Verdichters 1 darstellen, ist wenigstens ein zentrifugal wirkendes Schaufelrad vorgesehen. Die zentrifugalen Schaufelräder sind an beiden Enden einer rotierenden Drehwelle 3 angeordnet, welche beidseitig aus einem Motor 2 hervorragen. Der Motor 2 dient dem Antrieb der Drehwelle.

   Der Motor 2 ist ein schnelllaufender Motor, dessen Drehwelle 3 durch Magnetlager gelagert ist und erzeugt dabei Hitze, welche im Motor selbst entsteht sowie von den Magnetlagern und der hohen Drehbewegung der drehenden Teile.

[0016] Ein Saugdrosselventil 7 und ein Filter 13 sind vor der ersten Verdichterstufe 1a angeordnet. Ein in den Verdichter angesaugtes Gas 4, aus welchem Staub mittels des Filters 13 abgeschieden wurde, führt durch das Saugdrosselventil 7, um in die erste Verdichterstufe 1a eingeführt zu werden. Ein Gaszwischenkühler 6a ist zwischen der ersten Verdichterstufe 1a und der zweiten Verdichterstufe 1b angeordnet. Das Gas, dessen Druck in der ersten Verdichterstufe 1a erhöht wird, damit dessen Temperatur erhöht wird, wird im Gaskühler 6a abgekühlt, um erst dann in die zweite Verdichterstufe 1b eingeführt zu werden.

   Hier wird der Filter 13 gegen die Atmosphäre geöffnet, und zwar auf der Zuströmseite. Im Allgemeinen ist das angesaugte Gas feuchte Luft, welche Dampf enthält.

[0017] Der Druck des angesaugten Gases wird im Verdichter erhöht, so dass der partiale Druck des Wasserdampfes erhöht wird. Wenn das Gas, dessen Druck erhöht wurde, im Gaskühler 6a abgekühlt wird, nimmt der gesättigte Druck des Dampfes ab und die relative Feuchtigkeit im Gas nimmt zu. Je nach Bedingungen der Atmosphäre, aus welcher das Gas angesaugt wird, wird der Dampf teilweise kondensieren, um einen Nebel zu bilden und tauen, wenn der Wert der relativen Feuchtigkeit des Gases 1 wird und weiter abgekühlt wird.

   Bei der Ausführungsform gemäss der vorliegenden Erfindung, bei welcher das anfallende Drainagewasser im Gaskühler aufgefangen wird, ist der Gaskühler so ausgebildet, um das Wasser kontinuierlich abzulassen. Somit wird die relative Feuchtigkeit 1 oder weniger auf der Abströmseite des Gaskühlers, auf welcher Seite die absolute Feuchtigkeit geringer ist als auf der Zuströmseite. Somit sollte der Dampf nicht kondensieren. Aus Gründen der Vereinfachung ist das gezeigte Ausführungsbeispiel nicht mit einer Einrichtung versehen, um das Drainagewasser von Gas zu trennen. Eine solche Einrichtung könnte jedoch auf der Abströmseite des Gaskühlers angeordnet werden. In einem solchen Fall kann Wasser mit Sicherheit abgetrennt werden.

[0018] Ein Gaskühler 6b, ein Kontrollventil 10 und ein Aufnahmereservoir 12 sind auf der Abströmseite der zweiten Verdichterstufe 1b angeordnet.

   Ein aus der zweiten Verdichterstufe 1b ausgeblasenes Gas 5b wird im Gaskühler 6b gekühlt und daraufhin teilweise im Aufnahmereservoir 12 gespeichert. Das verbleibende Gas wird auf der Abströmseite zu den verschiedenen Verbrauchern geführt. Ein Luftauslassdurchgang 18 zweigt zwischen dem Gaskühler 6b und dem Kontrollventil 10 ab, und ein Anzapfventil 9 ist auf dem Weg zum Luftauslassdurchgang 18 installiert. Wenn das Anzapfventil 9 geöffnet wird, kann das aus der zweiten Verdichterstufe 1b abgeblasene Gas in den Saugfilter 13 eingeführt werden. Gemäss dem gezeigten Ausführungsbeispiel führt der Luftauslassdurchgang 18 zum Saugfilter 13, und der Filter dient gleichzeitig als Schalldämpfer, so dass der ganze Aufbau vereinfacht wird.

   Selbstverständlich könnte ein Schalldämpfer auch separat installiert werden und sich zum Beispiel in die Atmosphäre öffnen.

[0019] Der Druck auf der Abströmseite des Kontrollventils 10 ist ein Zuführdruck, welcher in irgendeinen Prozess gelangt, und der mehrstufige Verdichter 1 wird so gesteuert, dass der Druck im Wesentlichen konstant bleibt. Somit wird ein Druckmessgerät 11a zum Messen eines Gaszuführdruckes auf der Abströmseite des Kontrollventils angeordnet. Ein Steuergerät 11 ist vorgesehen, um einen konstanten Gasdruck zu steuern, welcher auf einem Gasdruck basiert, der durch das Messgerät 11a gemessen wird.

   Weiter werden Steuersignale 19a, 19b vom Steuergerät 11 zum Anzapfventil 9 und dem Saugdrosselventil 7 weitergeleitet, um gemäss dem Druck des zugeführten Gases die Betriebsbedingungen des Verdichters 1 zu steuern.

[0020] Die Betriebsbedingungen des Verdichters 1 werden gemäss dem Druck des zugeführten Gases gesteuert, welches dem Prozess zugeführt wird, und zwar so, dass wenn der Druck des zugeführten Gases kleiner ist als ein vorbestimmter Druck, welcher in der Steuereinrichtung 11 eingestellt wurde, das Saugdrosselventil 7 geöffnet wird und das Anzapfventil 9 geschlossen wird, dies im normalen Lastbetrieb. Wenn andererseits der Druck des zugeführten Gases den voreingestellten Wert überschreitet, z.B. wegen geringerem Gasverbrauch im Prozess, wird das Anzapfventil 9 geöffnet, um zu verhindern, dass der Verdichter 1 zu pumpen beginnt und um Energie einzusparen.

   Gleichzeitig wird das Saugdrosselventil 7 gedrosselt, dies zur Steuerung eines Leerlaufbetriebes (in Wirklichkeit wird die Last reduziert, aber wird nicht eigentlich Null).

[0021] Da das Saugdrosselventil 7 während dem Lastbetrieb geöffnet wird, ist der Druck des angesaugten Gases 4a in der ersten Verdichterstufe 1a im Wesentlichen gleich dem atmosphärischen Druck, d.h. etwa 1 atm. Sowohl die erste als auch die zweite Verdichterstufe 1a, 1b sind so ausgelegt, damit jede in einem bestimmten Punkt ein Verdichtungsverhältnis von etwa 3 aufweist.

   Das von der ersten Verdichterstufe abgegebene Gas 5a und das in der zweiten Verdichterstufe 1b angesaugte Gas 4b haben einen Druck von etwa 3 atm. während das von der zweiten Verdichterstufe 1b abgegebene Gas 5b einen Druck von etwa 9 atm. aufweist.

[0022] Im Leerlaufbetrieb wird das Anzapfventil 9 geöffnet und das Saugdrosselventil so gedrosselt, dass ein Verdichtungsverhältnis bei 3 atm. gehalten wird. Entsprechend wird der Druck vor dem Anzapfventil (welcher im Wesentlichen gleich ist wie der Auslassdruck aus der zweiten Verdichterstufe 1b) etwa 1.5 atm. betragen, dies wegen Druckverlusten im Ventil und in der Leitung, und der Druck des von der zweiten Verdichterstufe 1b angesaugten Gases, und der Druck des von der ersten Verdichterstufe 1a abgegebenen Gases wird etwa 0.5 atm. sein.

   Der Druck des von der ersten Verdichterstufe 1a angesaugten Gases beträgt etwa 0.2 atm.

[0023] Ein Kühlmitteldurchgang 14a ist zwischen dem Zwischenkühler 6a und der zweiten Verdichterstufe 1b angeordnet, und ein Kühlmitteldurchgang 14b ist etwa auf halbem Weg im Luftauslassdurchgang 18 abströmseitig vom Anzapfventil 9 vorgesehen. Ein Arbeitsgas für den Verdichter 1 wird von den Kühlmitteldurchgängen abgezogen, um den Motor 2 zu kühlen. Die Kühlmitteldurchgänge 14a, 14b liegen abströmseitig der Gaskühler 6a, 6b. Das aus den Kühlmitteldurchgängen zugeführte Gas wird auf eine normale Temperatur abgekühlt, so dass der Motor 2 gekühlt werden kann, indem das Gas ganz einfach durch diesen hindurchgeblasen wird.

   Ein Druckregulierventil 8 und ein Kontrollventil 20a sind im Entnahmedurchgang 22a vorgesehen, welcher vom Kühlmitteldurchgang 14a abzweigt, und ein Kontrollventil 20b ist im Entnahmedurchgang 22b angeordnet, welcher seinerseits vom Kühlmitteldurchgang 14b abzweigt. Die Entnahmedurchgänge 22a und 22b führen in einen Durchgang nach den Kontrollventilen 20a und 20b, um dem Motor 2 zugeführt zu werden. Das dem Motor 2 zugeführte Gas kühlt den Motor 2 ab und wird dann von diesem wieder abgegeben. Dieses Gas wird einem Rückflussabschnitt 15 zugeführt, welcher zwischen dem Saugdrosselventil 7 und der ersten Verdichterstufe 1a vorgesehen ist.

   Obwohl die Entnahmedurchgänge 22a und 22b in einen einzigen Durchgang nach den Kontrollventilen 20a und 20b führen, könnten diese auch direkt, d.h. separat, dem Motor 2 zugeführt werden.

[0024] Bei Lastbetrieb sind der Druck des Gases im Kühlmitteldurchgang 14a und dem Rückführabschnitt 15 etwa 3 atm. bzw. 1 atm., wie oben beschrieben. Da das Anzapfventil 9 geschlossen ist, fliesst das Gas nicht in den Luftauslassdurchgang 18, und der Druck des Gases im Kühlmitteldurchgang 14b ist gleich dem Druck am Saugfilter 13, d.h. etwa 1 atm. Dementsprechend besteht eine Druckdifferenz von etwa 2 atm. zwischen dem Kühlmitteldurchgang 14a und dem Rückführabschnitt 15, während der Differenzdruck zwischen dem Kühlmitteldurchgang 14b und dem Rückführabschnitt 15 etwa 0 ist. Somit wird ein Kühlgas 16 ausschliesslich aus dem Kühlmitteldurchgang 14a zugeführt.

   Ein Differenzdruck, welcher den Gasdurchfluss für die Kühlung des Motors 2 gewährleistet, beträgt üblicherweise 0.5 bis 1 atm., so dass dem Motor 2 genügend. Kühlgas aus dem zwischen den beiden Stufen vorgesehenen Kühlmitteldurchgang 14b zugeführt werden kann.

[0025] Der Grund, weshalb das Kühlgas nicht erst nach der letzten Stufe entnommen wird, sondern von einer dazwischenliegenden Stufe, liegt darin, dass eine minimale Durchflussmenge an Kühlgas ausreicht, was wiederum bedeutet, dass ein höherer Kühlgasdurchsatz als das erforderliche Minimum lediglich zur Vergeudung von Gas hoher Energie führen würde, welches durch den Verdichter erzeugt wird.

   Ebenfalls aus ökonomischer Sicht ist zu sagen, dass ein Differenzdruck von etwa 2 atm. zu hoch ist, um den Motor zu kühlen, so dass vorzugsweise das Druckregulierventil 8 gedrosselt wird, um den Druck des Kühlgases auf das erforderliche Minimum zu reduzieren und dieses dem Motor 2 zuzuleiten.

[0026] Da das Saugdrosselventil 7 im Leerlaufbetrieb gedrosselt wird, betragen die Gasdrucke im Kühlmitteldurchgang 14a und im Rückführabschnitt 15 etwa 0.5 atm. bzw. 0.2 atm., wie weiter oben beschrieben.

   Das Anzapfventil 9 wird geöffnet, damit das Gas in den Luftauslassdurchgang 18 gelangen kann, und der Durchflussdurchgang wird über eine Drossel 21, z.B. eine Öffnung, gedrosselt, wobei dieses Drosselventil zwischen dem Saugfilter 13 und dem Kühlmitteldurchgang 14b etwa in der Mitte des Luftauslassdurchgangs angeordnet ist, wobei ein Gasdruck von etwas über 1 atm. im Kühlmitteldurchgang 14b erhalten wird. Ohne die Drossel 21 würde der Druck im Kühlmitteldurchgang 14b im Wesentlichen gleich gross sein wie der Druck am Saugfilter, nämlich etwa 1 atm., so dass die Druckdifferenz zwischen dem Rücklaufabschnitt 15 und dem Kühlmitteldurchgang 14a etwa 0.3 atm. betragen würde und die Druckdifferenz zwischen dem Rücklaufabschnitt 15 und den Kühlmitteldurchgang 14b leicht über 0.8 atm. liegen würde.

   Aus diesem Grund wird das Kühlgas 16 ausschliesslich aus dem Kühlmitteldurchgang 14b zugeführt. Aus diesem Grund ist es möglich, die für die Kühlung des Motors erforderliche Kühlgasmenge für den Leerlaufbetrieb zu gewährleisten.

[0027] Im Leerlaufbetrieb ist die Geschwindigkeit konstant, um keine Änderung des Ventilationsverlustes und Eisenverlustes der Magnetlager zu bewirken, sondern die Eisenverluste im Motorantrieb zu reduzieren, so dass die erforderliche Durchflussmenge an Kühlluft geringer ist als bei Lastbetrieb. Eine Drossel, wie z.B. ein Durchlass- oder ein Drosselventil oder dergleichen, kann etwa in der Mitte eines Entnahmedurchganges 22b, welcher vom Kühlmitteldurchgang 14b abzweigt, angeordnet werden, um die Durchflussmenge von Kühlgas, welche zum Motor gelangt, weiter zu reduzieren.

   Bei einer solchen Anordnung ist allerdings der wirtschaftliche Vorteil gering, und zwar sowohl im Leerlaufbetrieb als auch im Lastbetrieb. Das Kühlgas könnte auch direkt aus der Atmosphäre zugeführt werden, d.h. nicht in der Mitte des Luftauslassdurchgangs 18. In diesem Fall könnte Dampf aus der Atmosphäre im Motor kondensieren, so dass an der Ansaugöffnung ein Staubfilter anzubringen wäre.

[0028] Fig. 3 zeigt rein schematisch den inneren Aufbau des Motors 2 und der Verdichter 1a, 1b sowie einen Zuführdurchgang für das Kühlgas des Motors.

[0029] In Fig. 3 weisen die erste und die zweite Verdichterstufe 1a und 1b Laufräder 28a bzw. 28b auf, welche direkt an den beiden Enden einer Drehwelle 3 angeordnet sind, welche sich beidseitig aus dem Körper eines Motors 2 erstreckt.

   Der Motor 2 ist ein Umformer-gesteuerter, schnelllaufender Motor und weist in seinem Zentrum einen Antriebsabschnitt 24 auf. Die Drehwelle wird durch zwei Sätze von Magnetlagern 25a, 25b gelagert, welche zwischen dem Antriebsabschnitt 24 und zwei Schaufelrädern 28a, 28b angeordnet ist. Weiter sind auf der Seite der Magnetlager 25b auf der Seite des Verdichters 1b in Richtung zum Antriebsabschnitt 24 axiale Magnetlager 26a, 26b vorgesehen, welche den vom Verdichter 1 erzeugten Axialschub aufnehmen.

[0030] Im Motor 2 wird durch Eisenverluste Hitze erzeugt, dies als Folge von elektrischen Verlusten in einer Spule und dergleichen, sowie ein Ventilationsverlust, erzeugt durch den schnelllaufenden Rotor.

   Als Hauptwärmequelle ist der Antriebsabschnitt 24, die Magnetlager 25a, 25b und die axialen Magnetlager 26a, 2 6b des Motors sowie Spalte zwischen diesen und dem Rotor zu betrachten. Im Lastbetrieb des Verdichters wird der Antriebsabschnitt 24 des Motors die meiste Hitze erzeugen, während im Vergleich dazu die Magnetlager relativ wenig Wärme erzeugen. Im Leerlaufbetrieb des Verdichters ist die Geschwindigkeit des Verdichters konstant, was bedeutet, dass die Ventilationsverluste und dadurch erzeugte Hitze nicht ändert.

   Hingegen wird die Antriebskraft des Motors 2 geringer, so dass die durch Eisenverluste des Motors erzeugte Wärme im Antriebsabschnitt 24 geringer wird als im Lastbetrieb.

[0031] Um die erzeugte Wärme abzuführen, wird ein Teil des durch den Verdichter verdichteten Gases und durch den Gaskühler gekühlten Gases entnommen, um dem Motor 2 als Kühlgas 16 zugeführt zu werden. Der Motor weist Kühlgaszuführabschnitte 29a, 29b, 29c und 29d an vier Stellen auf, und dies in der Nähe der eigentlichen Wärmequellen. Die entsprechenden Zuführabschnitte weisen Zuführöffnungen an mehreren Stellen am Umfang auf.

   Nachdem der Motor 2 gekühlt ist, wird das Kühlgas ebenfalls durch eine Mehrzahl von Öffnungen in den Ausstossabschnitten 30a, 30b, 30c, 30d und 30e weggeführt.

[0032] Ein Kühlgas 16a kühlt in erster Linie die radialen Magnetlager 25a auf der Seite der ersten Verdichterstufe 1a und wird eingeführt aus dem Kühlgas-Zuführabschnitt 29a zu einem Spalt, welcher zwischen den radialen Magnetlagern 25a und dem Flügelrad 28a gebildet ist. Ein Teil des Kühlgases wird aus dem Ausstossabschnitt 30a zusammen mit einer Leckströmung aus der ersten Verdichterstufe 1a ausgestossen, und der Rest des Kühlgases führt durch den Spalt zwischen den Magnetlagern 25a und der Drehwelle 3, um die Magnetlager 25a zu kühlen, und wird danach über den Ausstossabschnitt 30b ausgestossen.

   Ganz ähnlich kühlt ein Kühlgas 16b den Antriebsabschnitt 24 des Motors und wird danach aus den Ausstossabschnitten 30b, 30c abgeführt. Nach dem Kühlen der axialen Magnetlager 26a wird ein Kühlgas 16c aus dem Ausstossabschnitt 30d abgeführt. Nach Kühlung der axialen Magnetlager 26b und der radialen Magnetlager 25b wird ein Kühlgas 16d aus den Ausstossabschnitten 30d, 30e abgeführt. Der Durchgang für das Kühlgas 16 im Motor 2 ist sehr komplex, und der Druckverlust zwischen dem Zuführabschnitt und dem Ausstossabschnitt ist an jeder Stelle der entsprechenden Zuführabschnitte verschieden.

   Drosseln 27a, 27b, 17c, 17d, wie beispielsweise Öffnungen, Ventile und dergleichen für den Luftstrom sind vor den entsprechenden Zuführabschnitten 29a, 29b, 29c, 29d vorgesehen, um die Durchflussmenge des Luftstromes auf die zur Kühlung der wärmeerzeugenden Abschnitte erforderlichen Mengen einzustellen.

[0033] Beim gezeigten Beispiel sind Laufräder des Verdichters direkt auf der Drehwelle des Motors angeordnet, diese könnten jedoch auch über Kupplungen oder dergleichen mit der Drehwelle verbunden sein. Die Anzahl und Anordnung der Laufräder ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Das heisst, dass die vorliegende Erfindung für alle mehrstufigen Verdichter verwendbar ist, welche zwischen Lastbetrieb und Leerlaufbetrieb umschaltbar sind.

   Wie oben beschrieben, zeigen Fig. 1 bis 3 einen mehrstufigen Verdichter, welcher einen Kühlgasstrom in einer Menge gewährleistet, welcher zum Kühlen des Motors oder der Magnetlager während dem Leerlauf erforderlich ist, ohne dabei den Lastbetrieb zu beeinträchtigen.

[0034] Fig. 4 und 5 zeigen je ein Blockdiagramm von Varianten. Die Variante gemäss Fig. 4 unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 durch die Strömungsdurchgänge des Kühlgases aus den Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b zum Motor 2. Im Übrigen werden dieselben Überweisungsziffern verwendet, welche jeweils gleiche Elemente bezeichnen.

[0035] Wie Fig. 4 zeigt, sind die Kühlmitteldurchgänge 14a, 14b zum Kühlen des Motors 2 zwischen dem Zwischengaskühler 6a und der zweiten Verdichterstufe 1b angeordnet, sowie im Luftausstossabschnitt 18, welcher sich nach dem Anzapfventil 9 befindet.

   Die Kontrollventile 20a, 20b sind in den Entnahmedurchgängen 22a, 22b angeordnet, welche von den Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b wegführen. Die Entnahmedurchgänge 22a, 22b vereinigen sich nach den Kontrollventilen 20a, 20b zu einem einzigen Durchgang, welcher über das Druckregulierventil 8 zum Motor 2 führt. Das Öffnungsverhältniss des Druckregulierventils 8 ist einstellbar, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Verdichter im Last- oder Leerlaufbetrieb arbeitet. Ein Steuersignal 19c zum Einstellen des Öffnungsverhältnisses wird durch das Steuergerät 11 geliefert. Bei dieser Variante sind die Drucke in den Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b und dem Rücklaufabschnitt 15 dieselben, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Im Lastbetrieb betragen sie etwa 3 atm. bzw. etwa 1 atm. und ebenfalls etwa 1 atm. im Rücklaufabschnitt.

   Im Leerlaufbetrieb betragen diese Drucke etwa 0.5 atm., etwa 1 atm. bzw. etwa 0.2 atm. Somit wird Kühlgas aus dem Kühlmitteldurchgang 14a im Lastbetrieb geliefert und aus de Kühlmitteldurchgang 14b im Leerlaufbetrieb, genauso wie bei der ersten Ausführungsform.

[0036] Bei dieser Variante wird das aus den Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b entnommene Kühlgas durch das Druckregulierventil 8 geführt. Im Lastbetrieb ist der Druck im Kühlmitteldurchgang 14a etwa 2 atm. höher als im Rücklaufabschnitt 15, so dass bei Drosselung des Druckregulierventils die für die Kühlung des Motors 2 erforderliche minimale Durchflussmenge durchläuft. Im Leerlaufbetrieb wird das Druckregulierventil 8 geöffnet, um die für die Kühlung des Motors 2 erforderliche Menge an Kühlgas zu gewährleisten.

   Auf diese Weise wird die Öffnungsgrösse des Druckregulierventils 8 gesteuert, und zwar in Abhängigkeit des Betriebszustandes, d.h. Lastbetrieb oder Leerlaufbetrieb, dies mittels eines Steuersignals 19c, welches vom Steuergerät 11 geliefert wird. Das Steuergerät 11 überträgt ein Steuersignal für das Druckregulierventil 8, zusammen mit einem konstanten Gasdruck-Steuersignal.

[0037] Dank der vorstehend beschriebenen Anordnung kann bei dieser Variante der gleiche Effekt erzielt werden wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Es ist somit bei der gezeigten Variante möglich, die Menge des Kühlgasstromes zu liefern, welche für die Kühlung des Motors oder der Magnetlager im Leerlauf benötigt wird, ohne den Lastbetrieb zu beeinflussen bzw. zu belasten. Fig. 5 zeigt eine weitere Variante der Ausführungsform nach Fig. 1.

   Die Variante nach Fig. 5 unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 dadurch, dass Durchflussdurchgänge für das Kühlgas von den Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b zum Motor 2 führen. In der Zeichnung werden für gleiche Teile dieselben Überweisungszeichen verwendet wie in Fig. 1.

[0038] Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Kühlmitteldurchgang 14a zur Kühlung des Motors 2 zwischen dem Gas-Zwischenkühler 6a und der zweiten Verdichterstufe 1b angeordnet, wie bei Fig. 1. Andererseits ist der Kühlmitteldurchgang 14b im Luftdurchlassdurchgang 18 in Abweichung der Ausführungsform nach Fig. 1 vor dem Anzapfventil 9 angeordnet.

   Der Kühlmitteldurchgang 14b muss nicht unbedingt im Luftausstossabschnitt 18 angeordnet sein, sondern kann sich auch nach dem Gaskühler 6b befinden, welcher ähnliche Druckverhältnisse aufweist wie der Luftausstossabschnitt 18 und nach der zweiten Verdichterstufe 1b angeordnet ist. Da sich der Kühlmitteldurchgang 14b vor dem Anzapfventil 9 befindet, erübrigen sich Einrichtungen, wie z.B. die Drossel 21 in Fig. 1. 

[0039] Zuführdurchgänge, welche von den Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b abzweigen, sind an ein Dreiwegventil 23 angeschlossen, und das Kühlgas wird über irgendeinen der Zuführdurchgänge zum Motor 2 geleitet. Das Dreiwegventil wird in die passende Stellung gebracht, je nachdem, ob der Verdichter im Lastbetrieb oder im Leerlaufbetrieb arbeitet. Ein Schalt-Steuersignal 19d wird vom Steuergerät 11, abgegeben.

   Das Druckregulierventil 8 wird zwischen dem Kühlmitteldurchgang 14a und dem Dreiwegventil angeordnet.

[0040] Bei der hier gezeigten Variante sind die Drucke im Kühlmitteldurchgang 14a und dem Rücklaufabschnitt 15 dieselben wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Im Lastbetrieb betragen sie etwa 3 atm. bzw. 1 atm. und etwa 0.5 atm. bzw. 0.2 atm. während dem 5 Leerlaufbetrieb. Der Druck im Kühlmitteldurchgang 14b ist im Wesentlichen derselbe wie der Ausstossdruck aus der zweiten Verdichterstufe 1b, d.h. etwa 9 atm. im Lastbetrieb und etwa 1.5 atm. im Leerlaufbetrieb.

[0041] Beim mehrstufigen Verdichter gemäss den Fig. 1 und 4 wird der Verlauf des Kühlgasstromes für den Motor 2 durch die Drucke in Kühlmitteldurchgängen 14a, 14b bestimmt.

   Im Gegensatz dazu wird bei der Ausführungsform nach Fig. 5 der Durchlaufweg des Kühlgases für den Motor 2 durch Umschalten des Dreiwegventils wahlweise bestimmt. Aufgrund des Steuersignals 19d vom Steuererät 11 erfolgt die Umschaltung des Dreiwegventils in Abhängigkeit der Betriebsart, d.h. Lastbetrieb oder Leerlaufbetrieb. Gleichzeitig wird ein Steuersignal für das Druckregulierventil 8 vom Steuergerät 11 abgegeben, zusammen mit dem Steuerventil für den konstanten Gasdruck.

[0042] Im Lastbetrieb wird das Dreiwegventil 23 geöffnet, und zwar zum Durchflussdurchgang hin, welcher vom Kühlmitteldurchgang 14a abzweigt. Das Kühlgas wird gedrosselt, und zwar auf minimale Durchflussmenge, dies mittels des Druckregulierventils 8, um dem Motor 2 zugeführt zu werden. Der Kühlmitteldurchgang 14b befindet sich vor dem Anzapfventil 9 und weist einen Druck von etwa 9 atm. auf.

   Da das Dreiwegventil 23 zu dem an dem Kühlmitteldurchgang 14b angeschlossenen Durchflussdurchgang hin geschlossen ist, wird eine grosse Menge von Gas nicht in unwirtschaftlicher Weise durch den Motor 2 geführt. 

[0043] Während dem Leerlaufbetrieb wird das Dreiwegventil 23 zu dem Durchflussdurchgang hin geöffnet, welcher vom Kühlmitteldurchgang 14b abzweigt. In diesem Fall beträgt die Druckdifferenz zwischen dem Rücklaufabschnitt 15 und dem Kühlmitteldurchgang 14b etwa 1.3 atm. und gewährleistet die für die Kühlung des Motors erforderliche Menge an Kühlgas.

[0044] Ähnlich wie die Ausführungsform nach Fig. 1 ermöglicht die Konstruktion gemäss dieser Variante eine passende Durchflussmenge an Kühlgas, welche zum Kühlen des Motors oder der Magnetlager während dem Leerlaufbetrieb erforderlich ist und bringt damit Einsparungen während dem Lastbetrieb.

   Obwohl ein zweistufiger Zentrifugalverdichter beschrieben und gezeigt ist, kann die Erfindung selbstverständlich auch für drei- oder mehrstufige Zentrifugalverdichter verwendet werden. Beim Verdichter muss es sich auch nicht um einen Zentrifugalverdichter handeln, sondern es kann jede andere Form von Verdichter, z.B. ein Axialverdichter etc., für den Einsatz des Kühlsystems verwendet werden. Wie weiter oben im Detail beschrieben, ist der mehrstufige Verdichter gemäss der Erfindung so gebaut, dass das Kühlgas für den Motor einer Mehrzahl von Kühlmitteldurchgängen entnommen wird, so dass das Kühlgas im Lastbetrieb aus der Zwischenstufe entnommen werden kann und vom Luft-Durchflussdurchgang während dem Leerlaufbetrieb.

   Somit ist es möglich, für beide Betriebsarten die jeweils optimale Menge an Kühlgas zur Anwendung zu bringen.

[0045] Der durch Magnetlager gelagerte Rotor des mehrstufigen Verdichters gemäss der vorliegenden Erfindung ist so gebaut, dass das Kühlgas für die Magnetlager aus einer Mehrzahl von Kühlmitteldurchgängen entnommen wird und kann somit im Lastbetrieb aus der Zwischenstufe entnommen werden und aus dem Luft-Durchflussdurchgang während dem Leerlaufbetrieb. Somit ist es möglich, die Durchflussmenge des Kühlgases zum Kühlen der Magnetlager während dem Leerlaufbetrieb so einzustellen, dass die Wirtschaftlichkeit während dem Lastbetrieb gegeben ist.

Claims (16)

1. Mehrstufiger Verdichter, welcher zwischen Last- und Leerlaufbetrieb umschaltbar ist, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (2) mit einer Drehwelle (3) als Antriebsmotor, eine erste und eine zweite Verdichterstufe (1a, 1b), deren Laufräder an den beiden Enden der genannten Drehwelle (3) montiert sind, einen zwischen den beiden Verdichterstufen (1a, 1b) angeordneten Zwischenkühler (6a), einen ersten Kühlmitteldurchgang (14a) zum Kühlen des Elektromotors während dem Lastbetrieb des Verdichters und einen weiteren Kühlmitteldurchgang (14b) zum Kühlen des Elektromotors (2) während dem Leerlaufbetrieb des Verdichters, wobei die beiden Kühlmitteldurchgänge (14a; 14b) für die unterschiedlichen Betriebsarten an verschiedenen Stellen zwischen dem Zwischenkühler (6a) und einem Anzapfventil (9) auf der Druckseite des Verdichters angeschlossen sind.

2. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Kühlmitteldurchgänge (14a; 14b) unter atmosphärischem Druck steht.

3. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1, mit einem Saugdrosselventil (7) auf der Saugseite des Verdichters und dem Anzapfventil (9) auf der Druckseite des Verdichters, dadurch gekennzeichnet dass der genannte weitere Kühlmitteldurchgang (14b) von der Druckseite des Laufrades der zweiten Verdichterstufe wegführt und der genannte erste Kühlmitteldurchgang (14a) von der Abströmseite des Zwischenkühlers (6a) wegführt, wobei die beiden Kühlmitteldurchgänge (14a; 14b) miteinander verbunden sind, um einen gemeinsamen Durchflussdurchgang (16) zu bilden, welcher so angeschlossen ist, um einen Strömungsdurchgang zu bilden und ein Kühlgas durch den Elektromotor (2) zu leiten.

4. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwelle des Elektromotors auf Magnetlagern gelagert ist und dass der Strömungsdurchgang zum Durchführen des Kühlgases durch den Elektromotor bis zu den Magnetlagern verlängert ist.

5. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkühler mit einer Abflussrückführeinrichtung versehen ist.

6. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Kontrollventil zwischen wenigstens einem der beiden Kühlmitteldurchgänge und dem gemeinsamen Durchflussdurchgang angeordnet ist.

7. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kühlmitteldurchgang (14b) auf der Druckseite des Laufrades der zweiten Verdichterstufe vor dem Abzapfventil (9) abzweigt.

8. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregulierventil in dem ersten Kühlmitteldurchgang auf der Abströmseite des Zwischenkühlers angeordnet ist.

9. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel vorgesehen sind, um den Öffnungsgrad des Druckregulierventils in Abhängigkeit der Betriebsart zu verändern.

10. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Durchflusssteuermittel, um den Durchfluss im ersten bzw. weiteren Kühlmitteldurchgang ein- bzw. auszuschalten.

11. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmitteldurchgang (14a) auf der Abströmseite des Zwischenkühlers während dem Lastbetrieb für den Durchfluss offen ist, der weitere Kühlmitteldurchgang (14b) nach der zweiten Verdichterstufe hingegen während dem Lastbetrieb geschlossen ist.

12. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kühlmitteldurchgang, welcher auf der Druckseite des Laufrades der zweiten Verdichterstufe angeschlossen ist, im Leerlaufbetrieb für den Durchfluss offen ist, der erste Kühlmitteldurchgang im Leerlaufbetrieb hingegen geschlossen ist.

13. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch einen Rückflussdurchgang (17), um das Kühlgas, welches der Kühlung des Elektromotors diente, wieder vor dem Saugdrosselventil (7) zurückzuführen.

14. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch einen Rückflussdurchgang, um das Kühlgas, welches der Kühlung der Magnetlager diente, wieder vor dem Saugdrosselventil (7) zurückzuführen.

15. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln der Laufräder zentrifugal wirkende Schaufeln sind.

16. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch Druckfühler, um den Ausgangsdruck des Verdichters festzustellen, sowie durch Steuermittel, um den Betrieb des Verdichters aufgrund eines von den Druckfühlern gelieferten Wertes zwischen Last- und Leerlaufbetrieb umzuschalten.