EP3044461A1 - Kolbenverdichter - Google Patents

Kolbenverdichter

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EP3044461A1
EP3044461A1 EP14753070.3A EP14753070A EP3044461A1 EP 3044461 A1 EP3044461 A1 EP 3044461A1 EP 14753070 A EP14753070 A EP 14753070A EP 3044461 A1 EP3044461 A1 EP 3044461A1
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EP
European Patent Office
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piston
compression
compressor according
piston compressor
cylindrical component
Prior art date
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Application number
EP14753070.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3044461B1 (de
Inventor
Ulrich Stieler
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ULRICH STIELER KUNSTSTOFFSERVICE EK
Original Assignee
ULRICH STIELER KUNSTSTOFFSERVICE EK
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Publication date
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Publication of EP3044461A1 publication Critical patent/EP3044461A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3044461B1 publication Critical patent/EP3044461B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/01—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being mechanical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating compressor for compressing fluids.
  • the present invention relates to such a reciprocating compressor which is driven by means of a screw drive.
  • Piston compressors for compressing fluids such as gases are well known. Their effect is based on the fact that in a cylinder, a piston is running while alternately a space, also referred to as a compression chamber is increased and decreased in the cylinder.
  • Piston compressors are very versatile, for example for the production of compressed air (for example DE 44 29 097 A1) or cryogenic liquids (for example DE 10 2006 000 835 A1).
  • crank drive The drive of the piston of the compressor unit via a crank drive, wherein the piston is connected via a connecting rod with a crank.
  • the present invention relates to a reciprocating compressor having a compact, space-saving construction.
  • this object is achieved by a reciprocating compressor for compressing fluids with compression space for compression and a compression piston, the piston compressor having a cylindrical component, wherein for driving the reciprocating compressor, a screw drive is provided with a threaded spindle and a threaded nut for implementing a rotational movement in a linear movement, wherein the linearly moving part of the screw drive is connected to the cylindrical member of the reciprocating compressor and this linearly reciprocates in operation of the reciprocating compressor.
  • the cylindrical component of the reciprocating compressor can represent the piston or accommodate the at least one compression chamber.
  • any fluids such as gases or liquids, such as cryogenic liquids, can be compressed.
  • At least one compression space is provided in the cylindrical component, which is open towards one end of the component. Opposite this opening, a piston is arranged. In operation, the cylindrical component is moved toward the piston and the compression space, so to speak, reciprocates around the piston. It can be provided in the cylindrical member two compression spaces, the bottom are arranged at the bottom and are each open to one end of the cylindrical member.
  • a respective piston can be arranged opposite the two ends or openings of the cylindrical component.
  • piston or pistons themselves are stationary and do not move relative to the cylindrical component.
  • the cylindrical component acts as a compression piston.
  • one or both ends of the cylindrical component opposite a corresponding compression space can be arranged.
  • the compression space is stationary and the compression is effected by the reciprocation of the cylindrical member as a piston. If the cylindrical component acts as a piston, the corresponding ends are closed.
  • the cylindrical member itself may be hollow or solid.
  • a screw drive is used as the drive for the reciprocating compressor.
  • Screw drives consist of a cylindrical threaded spindle with a thread on the outer surface and a threaded nut, which is threaded onto the threaded spindle, and serve to implement a rotational movement in a longitudinal movement.
  • either the nut or the spindle is set in a rotational movement, which - mediated by the thread - is converted into a linear movement of the counterpart.
  • the rotating part is supported so as to prevent itself from linear movement.
  • the linearly movable part of the screw drive is secured against rotation.
  • the linearly moving part of the screw drive is connected to a linearly moving construction, according to the invention the cylindrical member of the reciprocating compressor, fixed and leads this in the linear motion.
  • the cylindrical member may be connected to the threaded nut of a screw drive, wherein the threaded nut is threaded onto a corresponding threaded spindle.
  • a rotating movement of the threaded spindle is converted into a linear movement of the threaded nut along the spindle, wherein the threaded nut carries the cylindrical component connected to it linearly.
  • the threaded spindle may be the linearly moving part which is connected to the cylindrical component.
  • Screw drives are known per se. Examples of known screw drives, which can also be used according to the invention, are ball screw drives, roller screw drives, planetary roller screw drives and trapezoidal drives.
  • the drive of the rotating part of the screw drive can be done via any motor either directly or via gear and belt drives.
  • Screw drives allow a high positioning accuracy between the piston and the compression chamber. Due to this high positioning accuracy, the compression volume, that is, the volume to which the fluid is compressed, can be determined and adjusted very precisely.
  • the present invention also provides very precise mass-controlled metering of compressed fluid to a consumer, such as a machine.
  • Ball screws are preferred according to the invention because of the possible very precise positioning accuracy and the reduced wear due to reduced friction. Ball screws are well known. For example, reference is made to the article “Ballscrews with driven recirculating ball nut” in the journal “Konstrutation, 9 (2010), page 36. Between the threaded spindle and the threaded nut there are a number of balls moving in a spiral groove in the surface of the spindle As a result, a rotational movement of the threaded nut is converted into a linear movement of the threaded spindle and vice versa.
  • the cylindrical component itself is the threaded spindle.
  • a corresponding thread is applied to the outer surface of the cylindrical component and threaded onto the cylindrical component an associated threaded nut.
  • the threaded nut is the rotating part of the screw drive, which is rotated in any way via a drive in rotation. The rotational movement of the threaded nut is transferred into a linear movement of the threaded cylindrical member.
  • the threaded nut itself is mounted so that it is prevented from linear movement.
  • the thread may extend over the entire length of the cylindrical component or only over a part thereof.
  • one or both end portions of the cylindrical member may not have threads.
  • the nut itself can be driven in any way.
  • the drive can be electromotive, hydraulic or mechanical.
  • the drive can be arranged around the threaded nut.
  • the drive can be a separate component, the outside, z. B. next to the screw, is arranged.
  • the drive may be a laterally flanged motor.
  • the rotational movement of the nut can be taught in any way, for. B. by means of belt, chain, gear, etc.
  • the cylindrical member constituting the screw shaft reciprocates between two turning points that correlate with the discharge volume of the compression space.
  • the compression space In the state of the initial volume, the compression space has its largest volume and in the state of the final volume its smallest volume. Accordingly, one reversal point is the starting point and the other reversal point is the end point.
  • the piston head In the starting point, the piston head typically protrudes slightly into the compression space and seals it against the environment.
  • the initial volume results from the cross-sectional area of the compression space and the distance between the bottom of the compression space and the end face of the piston at the starting point.
  • the distance between the bottom of the working space and the end face of the piston at the starting point is also referred to as effective axial cylinder height.
  • the working volume of the piston compressor according to the invention can thus be varied in a simple manner by changing the position of the bottom and thus the distance between the bottom and end face of the piston, and / or by changing the diameter of the compression chamber.
  • the compression space may be a sleeve which is introduced into the interior of the cylindrical member.
  • the sleeve is replaceable.
  • the outer diameter of the sleeve is adapted to the inner diameter of the corresponding cavity in the cylindrical member. Since the inner diameter and the length of the sleeve can vary, this embodiment allows a simple way of varying the working volume of the compression chambers.
  • one or more longitudinal bores can be provided in the cylinder jacket, which extend from one end of the cylindrical component, starting in the longitudinal direction.
  • This longitudinal bore serves to receive a cooling tube via the coolant can be introduced. Since the diameter of the cooling tube is chosen smaller than the diameter of the longitudinal bore, the reciprocating motion of the cylindrical member is not hindered.
  • the longitudinal bore may extend over the entire length of the cylindrical member, in each case a cooling tube may be provided at both ends.
  • the cooling tubes themselves are fixed and connected to a supply and discharge for the coolant.
  • the cooling tubes preferably have a length that substantially corresponds to the depth of the adjacent compression space.
  • the compression space may be surrounded by channels communicating with the cooling tube so that coolant may be routed around the compression space.
  • a spiral-shaped groove can be provided in the outer wall of the sleeve, which, when inserted into the cylinder tube, acts as a coolant channel.
  • the at least one longitudinal bore is provided here between the cylinder cavity and the cylinder outer surface.
  • seals may be provided to seal against the environment, which are preferably in the region of the entry point of the cooling tube in the longitudinal bore.
  • a cooling tube and a cooling hose can be used.
  • the compression piston is arranged opposite the free end of the cylindrical component with compression space and is not movable relative to the threaded spindle.
  • the piston head should, at least partially, protrude into the open end of the threaded spindle and seal the compression chamber from the environment.
  • the piston is also equipped with a cooling.
  • the discharge of the compressed fluid may be provided in the piston corresponding supply and discharge lines. These lines preferably open at the end face of the piston head in the compression space. At the mouths valves or similar closures may be provided to prevent backflow of the fluid or premature escape of the compressed fluid.
  • the compression unit according to the invention may be surrounded by a housing or a similar device.
  • the housing may be completely or partially closed.
  • the threaded nut can be conveniently attached in this case to the housing wall, which extends along the longitudinal axis of the threaded cylindrical member.
  • the piston may be attached to a housing wall opposite the open end of the threaded cylindrical component with compression space.
  • connecting lines may be provided, which connect the supply and discharge line, which extend in the piston, with the environment.
  • the housing part, on which the piston is mounted releasably connected to the rest of the housing. This allows a simple replacement of the piston and adjustment of the piston dimension to an optionally changed working volume of the associated compression chamber.
  • the piston compressor according to the invention has in each case a piston at both ends of the cylindrical component and the cylindrical component is subdivided into two compression spaces, which can be separated from one another by a separating surface in the interior of the cylindrical component. If the cylindrical component is moved back and forth, once the compression space is reduced at one end and increases the compression space at the other end or vice versa.
  • This embodiment allows a two-stage operation of the reciprocating compressor by the output volume of a compression chamber is chosen smaller than the initial volume of the second working space.
  • the pre-compressed fluid in the compression chamber with a larger initial volume can be supplied to the compression chamber with a smaller initial volume via a connection in the separating surface for further compression. Backflow of the compressed fluid can be prevented by a closure in the connection. Suitable closures are valves such as impact valves and the like as they are also used in conventional reciprocating compressors and known.
  • the compression space or compartments can be designed as a sleeve. It can be provided coolant lines, which are integrated in the sleeve wall or these can also surround. In operation, the piston head should protrude at the starting point at least as far into the opening of the compression space or connect to it, so that the compression space is sealed against the environment.
  • the compression chamber may be provided with supply or discharge lines for the supply of fluid to be compressed, or for the discharge of the compressed fluid. At the mouths of these lines in the compression space valves or similar closures are provided to prevent backflow of the fluid or premature escape of the compressed fluid.
  • this embodiment of the compression unit according to the invention may be surrounded by a housing or similar device, which may be configured analogously as in the previous embodiment. Opposite each end of the cylindrical member can be arranged in each case a compression space. These compaction spaces can have different working volumes.
  • the piston compressor according to the invention allows a large variability of the working volume with effective cooling.
  • the end faces of the pistons and the bottoms of the compression chambers can be effectively cooled, which are the zones, or areas of a reciprocating compressor, with the highest heat development.
  • a significant advantage of the reciprocating compressor according to the invention is that the linear movement of the threaded spindle or the threaded nut and the way they cover this, are readily determinable and adjustable, so that the compression volume is very accurate calculable.
  • the linear movement of the linearly moving part can be determined by rotational measurement of the rotating part, since these correlate.
  • the linear movement of the linearly moving part can be measured directly.
  • so-called incremental position transducers can be used for the direct determination of the linear movement.
  • a precise, mass-controlled metering of compressed fluid is also possible by determining the temperature and the pressure of the compressed fluid.
  • corresponding temperature and pressure sensors can be provided at the starting point, that is to say the point at which the compressed fluid leaves the compression space.
  • the piston compressor according to the invention can be operated under pressure control. For this purpose, for example, at the starting point, the pressure of the compressed fluid is measured and the operation of the reciprocating compressor is controlled by the pressure by comparing the determined pressure with a desired value.
  • the piston compressor according to the invention can be used for a compressor or a pump.
  • the piston compressor according to the invention can be used advantageously for numerous applications in which it is particularly important to meter in defined volumes or masses of fluid, for example machinery, tools, etc.
  • blowing fluids can be metered in for the foaming technology such as injection molding, blowing technology and extrusion, as well as cooling fluids and lubricating fluids.
  • two or more reciprocating compressor units may be operated in parallel with the combined metering of different fluids, such as, for example, combined metered addition of chemical motive fluid and physical motive fluid, or combined metered addition of cooling fluid and lubricating fluid.
  • An example of a specific application is the cooling with CO2 of cutting tools and chips during machining, such as drilling, milling, turning, etc.
  • CO2 as a coolant
  • an increase in the feed rate of the cutting tool and increase the removal is possible.
  • An improved quality of the surface of the workpiece is achieved, since an impairment of the surface of the workpiece due to excessive heating during stock removal can not occur. This is an advantage in particular for plastics, since they soften when heated. It has also been observed that the surface tension in the workpiece is drastically reduced.
  • the metered addition of fluid can be controlled by power.
  • higher power that a machine tool must apply usually also requires increased cooling and increased coolant supply. Since the power correlates with the power consumption of the motor of the machine tool, the coolant requirement is determined by measuring the power consumption and regulated accordingly.
  • Another application is the filling of airbag cartridges with gas. So far, the filling state had to be determined by weighing to determine whether the cartridge is fully filled.
  • two or more cylindrical components may be connected to a drive.
  • a drive it is possible to dose and administer fluid volumes simultaneously or also at different times, depending on the requirements.
  • 100 or more cylindrical members may be operated simultaneously to effect delivery of one or more fluids over, for example, a larger area.
  • two or more different fluids may be dosed simultaneously.
  • two or correspondingly many apparatuses according to the invention can be switched synchronously, so that a corresponding fluid mixture can be metered into an application.
  • FIG. 1 shows an example of an embodiment of the invention
  • Piston compressor in which the cylindrical member acts as a threaded spindle and contains the compression space
  • Figure 2 shows a further embodiment of an inventive
  • Piston compressor with laterally arranged drive Piston compressor with laterally arranged drive.
  • Figure 1 shows an example of an embodiment of the piston compressor according to the invention with cylindrical member 1 and a first compression chamber 2 and a second compression chamber 3, which are provided in the interior of the cylindrical member 1, with openings at the ends of the cylindrical member.
  • FIG. 1 The embodiment shown in Figure 1 is shown with a ball screw, wherein the cylindrical member 1 is configured simultaneously as a ball screw.
  • the ends of the cylindrical member 1 opposite to a first piston 4 and a second piston 5 are arranged corresponding to the first and second compression chamber 2, 3.
  • the compression chambers 2, 3 are separated from each other by a separation region 6, which extends over the cross-sectional area of the cylindrical component 1, whereby the compression chambers 2, 3 are delimited from each other and from each other.
  • the piston 4 In the upper part of the piston compressor shown in FIG. 1, the piston 4 is in its end position with the smallest volume of the compression chamber 2. In the lower part of the piston compressor shown in FIG the piston 5 in its initial position with the largest working volume of the compression chamber. 3
  • the piston 5 protrudes at least partially into the compression chamber 3 and thereby seals the compression chamber 3 from the environment.
  • the compression chamber 3 has in this position its maximum effective axial cylinder height.
  • the piston compressor is surrounded by a housing 7.
  • the pistons 4, 5 are each fixed at one end to the end faces of the cylindrical component 1 opposite end surfaces 8, 9 of the housing 7 fixed. With their other end they extend into the respective end surface 8, 9 opposite the open end of the cylindrical member. 1
  • the pistons 4, 5 preferably have a length which is chosen such that they can effect the sealing of the associated compression chamber in its initial position.
  • the cylindrical component 1 is linearly moved in the axial direction via the ball nut 10.
  • the cylindrical member 1 in its outer circumferential surface has a groove 1 1 for the balls.
  • the trough 1 1 extends over the entire length of the cylindrical member. 1
  • the ball nut 10, which surrounds the cylindrical member 1, is fixedly secured to the side walls of the housing 7 here.
  • a drive 18 surrounds the ball nut and puts them in rotation.
  • an electric motor is shown as the drive.
  • the drive 18 is integrated in the housing.
  • the cylindrical component 1 in a linear, here up and down movement, offset.
  • valves such as an inlet valve or exhaust valve
  • a discharge valve for example, as a discharge valve, a check valve or the like can be used.
  • the inlet valve may be, for example, a ball check valve, a diaphragm spring valve, a conical seat valve or lamella valve.
  • inlet or outlet valves can be used, as they are used for commercial reciprocating compressors and are known.
  • two longitudinal bores 14, 15 are provided, each of which extends over the entire length of the cylindrical component 1.
  • a cooling tube At both ends of a longitudinal bore 14, 15 is a cooling tube.
  • the cooling tubes here preferably have a length which is dimensioned so that they are in a position which corresponds approximately to the engagement depth of the piston at the time at which the piston engages in the maximum extent in the adjacent compression space.
  • the cooling tubes are indicated in the figure by transverse lines, which are intended to indicate the end of the corresponding cooling tube, which extends into the longitudinal bore 14, 15.
  • Hoses can also be used instead of the cooling pipes.
  • Channels may pass around the compression spaces 2, 3 that communicate with the cooling tubes to allow circulation of the coolant around the compression spaces.
  • the one or more compression chambers 2, 3 may be an integral part of the cylindrical member 1 and worked into its body.
  • the compression chambers 2, 3 can be sleeves, which can be used as inner tubes in corresponding cavities in the cylindrical component 1 and are preferably interchangeable.
  • the cylindrical component 1 may be a hollow cylinder into which the sleeves can be inserted.
  • pistons can be exchanged and pistons of different diameter and / or length can be used.
  • end surfaces 8, 9 are interchangeable with pistons 4, 5 and located therein connecting lines.
  • the available working volume of the reciprocating compressor according to the invention can be varied in a simple manner in one and the same reciprocating compressor by exchanging the inner sleeves and / or the end surfaces, without having to replace the complete reciprocating compressor.
  • the compression chambers 2, 3 may have a different working volume and be connected via one or more connecting lines, which are equipped for example with inlet and outlet valves.
  • a pre-compressed in the compression chamber with the larger working volume of fluid is then fed via the connecting line in the compression chamber with smaller volumes for further compression.
  • the position of the ball nut relative to the cylindrical component 1 and the stroke of the cylindrical component 1 as a ball screw are determined by the respective requirements of the specific device.
  • FIG. 2 shows a piston compressor according to the invention, which substantially corresponds in construction to the embodiment of FIG. However, here the drive 18 is arranged outside of the housing 7 with the ball screw and flanged to this. The rotational movement of the ball nut 10 is conveyed via a belt 19.
  • the piston compressor according to the invention allows numerous variations.
  • One side of the piston can be designed as a low pressure system and the other side of the piston as a high pressure system.
  • Different media can be compressed simultaneously in the compression chambers.
  • a liquid can be compressed on one side and a gas on the other side.
  • the piston compressor according to the invention allows a variation of the available working volume for one and the same device. An exchange of the entire device is not required.
  • Cylindrical component (configured as ball screw) 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zur Verdichtung von Fluiden mit Verdichtungsraum (2, 3) für die Verdichtung und einem Verdichtungskolben (4, 5),wobei für den Antriebvorzugsweise ein Kugelgewindetrieb vorgesehen ist mit einer zylinderförmigen Kugelspindel (1) und einer Kugelmutter(10) zur linearen Hin-und Herbewegung der Kugelspindel, wobei durch die lineare Bewegung der Kugelspindel (1) der Verdichtungskolben (4, 5) beziehungsweise der Verdichtungsraum (2, 3) linear zueinander zur Verdichtung verschiebbar sind.

Description

Kolbenverdichter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter zum Verdichten von Fluiden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen derartigen Kolbenverdichter, der mittels eines Gewindetriebs angetrieben wird.
Kolbenverdichter zum Verdichten von Fluiden wie zum Beispiel Gasen sind hinlänglich bekannt. Deren Wirkung beruht darauf, dass in einem Zylinder ein Kolben läuft und dabei abwechselnd ein Raum, auch als Verdichtungsraum bezeichnet, in dem Zylinder vergrößert und verkleinert wird.
Kolbenverdichter sind vielseitig einsetzbar zum Beispiel zur Erzeugung von Druckluft (zum Beispiel DE 44 29 097 A1 ) oder von kryogenen Flüssigkeiten (zum Beispiel DE 10 2006 000 835 A1 ).
Dabei erfolgt der Antrieb des Kolbens der Verdichtereinheit über einen Kurbelantrieb, wobei der Kolben über einen Pleuel mit einer Kurbel verbunden ist.
Bei herkömmlichen Kolbenverdichtern wird das Ansaugen des zu verdichtenden Mediums, die Verdichtung und der Ausstoß durch Saug- und Druckventile gesteuert. Eine Bestimmung der Masse beziehungsweise des Volumens des verdichteten Mediums und der Ausstoßmenge ist damit nur schwer und ungenau möglich. Wünschenswert wäre zudem ein flexibles System, bei dem das Arbeitsvolumen, das heißt, das Volumen wenn keine Verdichtung stattfindet, des Verdichtungsraums variabel ist.
Bei den bekannten Kolbenverdichter sind Verdichtereinheit und Kolbenantrieb unabhängige Einheiten mit entsprechendem Raumbedarf.
Wünschenswert wäre daher ein Kolbenverdichter mit kompakter Bauweise, der platzsparend ist. Ein weiteres Problem ist die Kühlung der Vorrichtung, um die in Folge der Verdichtung der Fluide gebildete Wärme abführen zu können, was zur Komplexität der Vorrichtung beiträgt. Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kolbenverdichter für die Verdichtung von Fluiden zur Verfügung zu stellen, der eine genaue Bestimmung des Ausstoßvolumens an verdichtetem Medium erlaubt, der einen Verdichtungsraum aufweist, dessen Arbeitsvolumen veränderlich gestaltet werden kann, und der auf einfache Art und Weise gekühlt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kolbenverdichter, der eine kompakte, raumsparende Konstruktion aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kolbenverdichter zur Verdichtung von Fluiden mit Verdichtungsraum für die Verdichtung und einem Verdichtungskolben gelöst, wobei der Kolbenverdichter ein zylinderförmiges Bauteil aufweist, wobei für den Antrieb des Kolbenverdichters ein Gewindetrieb vorgesehen ist mit einer Gewindespindel und einer Gewindemutter zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung, wobei der linear bewegte Teil des Gewindetriebs mit dem zylinderförmigen Bauteil des Kolbenverdichters verbunden ist und dieses in Betrieb des Kolbenverdichters linear hin und her bewegt.
Das zylinderförmige Bauteil des Kolbenverdichters kann den Kolben darstellen beziehungsweise den mindestens einen Verdichtungsraum beherbergen.
Mit dem erfindungsgemäßen Kolbenverdichter lassen sich beliebige Fluide wie Gase oder Flüssigkeiten, wie zum Beispiel kryogene Flüssigkeiten, verdichten.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Verdichtungsraum in dem zylinderförmigen Bauteil vorgesehen, der zu einem Ende des Bauteils hin offen ist. Dieser Öffnung gegenüberliegend ist ein Kolben angeordnet. Im Betrieb wird das zylinderförmige Bauteil auf den Kolben zubewegt und der Verdichtungsraum sozusagen um den Kolben herum hin- und herbewegt. Es können zwei Verdichtungsräume in dem zylinderförmigen Bauteil vorgesehen sein, die Boden an Boden angeordnet sind und jeweils zu einem Ende des zylinderförmigen Bauteils hin offen sind.
In diesem Fall kann den beiden Enden beziehungsweise Öffnungen des zylinderförmigen Bauteils gegenüberliegend jeweils ein Kolben angeordnet sein. Durch die Hin- und Herbewegung des zylinderförmigen Bauteils werden abwechselnd der erste beziehungsweise der zweite Verdichtungsraum auf den ersten beziehungsweise zweiten Kolben aufgeschoben und wieder zurückgezogen.
Bei dieser Ausgestaltung sind der oder die Kolben selbst ortsfest und bewegen sich nicht relativ zu dem zylinderförmigen Bauteil.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wirkt das zylinderförmige Bauteil als Verdichtungskolben.
In diesem Fall kann einem oder beiden Enden des zylinderförmigen Bauteils gegenüberliegend ein entsprechender Verdichtungsraum angeordnet sein.
In diesem Fall ist der Verdichtungsraum ortsfest und die Verdichtung wird durch die Hin- und Herbewegung des zylinderförmigen Bauteils als Kolben bewirkt. Wirkt das zylinderförmige Bauteil als Kolben sind die entsprechenden Enden geschlossen. Das zylinderförmige Bauteil selbst kann hohl oder solid sein.
Erfindungsgemäß wird als Antrieb für den Kolbenverdichter ein Gewindetrieb eingesetzt. Gewindetriebe bestehen aus einer zylinderförmigen Gewindespindel mit einem Gewinde auf der Außenfläche und einer Gewindemutter, die auf der Gewindespindel aufgefädelt ist, und dienen zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung.
Hierfür wird entweder die Mutter oder die Spindel in eine Drehbewegung versetzt, die - vermittelt über das Gewinde - in eine lineare Bewegung des Gegenstücks umgesetzt wird.
Das rotierende Teil ist derart gelagert, dass es selbst an einer linearen Bewegung gehindert ist. Der linear bewegliche Teil des Gewindetriebs ist gegen eine Verdrehung gesichert. Der linear bewegte Teil des Gewindetriebs ist mit einer linear zu bewegenden Konstruktion, erfindungsgemäß dem zylinderförmigen Bauteil des Kolbenverdichters, fest verbunden und führt dieses in der Linearbewegung mit. Beispielsweise kann das zylinderförmige Bauteil mit der Gewindemutter eines Gewindetriebs verbunden sein, wobei die Gewindemutter auf einer entsprechenden Gewindespindel aufgefädelt ist. Eine rotierende Bewegung der Gewindespindel wird in eine lineare Bewegung der Gewindemutter entlang der Spindel umgesetzt, wobei die Gewindemutter das mit ihr verbundene zylinderförmige Bauteil linear mitführt.
Umgekehrt kann die Gewindespindel der linear bewegte Teil sein, der mit dem zylinderförmigen Bauteil verbunden ist.
Gewindetriebe sind an sich bekannt. Beispiele für bekannte Gewindetriebe, wie sie auch erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind Kugelgewindetriebe, Rollengewindetriebe, Planetenwälzgewindetriebe sowie Trapeztriebe.
Der Antrieb des rotierenden Teil des Gewindetriebs kann über einen beliebigen Motor entweder direkt oder über Getriebe und Riementriebe erfolgen.
Gewindetriebe ermöglichen eine hohe Positioniergenauigkeit zwischen Kolben und Verdichtungsraum. Aufgrund diese hohen Positioniergenauigkeit lässt sich das Verdichtungsvolumen, das heißt das Volumen, auf das das Fluid verdichtet wird, sehr genau bestimmen und einstellen.
Dadurch ist es möglich, reproduzierbar sehr gut einstellbare Ausstoßvolumina an verdichtetem Fluid bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht zudem eine sehr präzise massegesteuerte Dosierung an verdichtetem Fluid an einen Verbraucher, wie einer Maschine. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Kugelgewindetriebe, aufgrund der möglichen sehr präzisen Positioniergenauigkeit und des geringeren Verschleiß aufgrund reduzierter Reibung. Kugelgewindetriebe sind allgemein bekannt. Beispielsweise wird hierzu auf den Artikel „Kugelgewindetriebe mit angetriebener Kugelumlaufmutter" in der Zeitschrift„Konstruktion, 9 (2010), Seite 36 verwiesen. Zwischen Gewindespindel und Gewindemutter befindet sich eine Anzahl von Kugeln, die in Bewegung entlang einer spiralförmigen Laufrinne in der Oberfläche der Spindel und einer hierzu korrespondierenden Laufrinne in der Innenfläche der Mutter axial bewegt werden. Dadurch wird eine Drehbewegung der Gewindemutter in eine lineare Bewegung der Gewindespindel und umgekehrt umgesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das zylinderförmige Bauteil selbst die Gewindespindel. Hierzu ist auf der Außenfläche des zylinderförmigen Bauteils ein entsprechendes Gewinde aufgebracht und auf dem zylinderförmigen Bauteil eine dazugehörige Gewindemutter aufgefädelt. In diesem Fall ist die Gewindemutter der rotierende Teil des Gewindetriebs, der auf beliebige Weise über einen Antrieb in Rotation versetzt wird. Die Rotationsbewegung der Gewindemutter wird in eine Linearbewegung des zylinderförmigen Bauteils mit Gewinde übertragen. Die Gewindemutter selbst ist derart gelagert, dass sie an einer Linearbewegung gehindert ist.
Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da Kolbenverdichter und Gewindetrieb eine kompakte, sozusagen integrale Baueinheit bilden, die besonders platzsparend ist. Je nach Ausgestaltung kann sich das Gewinde über die gesamte Länge des zylinderförmigen Bauteils oder aber auch nur über einen Teil davon erstrecken. Beispielsweise können ein oder beide Endbereiche des zylinderförmigen Bauteils kein Gewinde aufweisen. Die Gewindemutter selbst kann auf beliebige Art und Weise angetrieben werden. Der Antrieb kann elektromotorisch, hydraulisch oder mechanisch sein. Der Antrieb kann um die Gewindemutter angeordnet sein. Der Antrieb kann ein separates Bauteil sein, das außerhalb, z. B. neben dem Gewindetrieb, angeordnet ist. Beispielsweise kann der Antrieb ein seitlich angeflanschter Motor sein.
Die Drehbewegung der Mutter kann auf beliebige Art und Weise vermittelt werden, z. B. mittels Riemen, Kette, Zahnrad etc.
Entsprechend einem herkömmlichen Kolbenverdichter bewegt sich das zylinderförmige Bauteil, das die Gewindespindel bildet, zwischen zwei Umkehrpunkten hin und her, die mit dem Ausgangs- beziehungsweise Endvolumen des Verdichtungsraumes korrelieren. Im Zustand des Ausgangsvolumens hat der Verdichtungsraum sein größtes Volumen und im Zustand des Endvolumens sein kleinstes Volumen. Dementsprechend ist der eine Umkehrpunkt der Ausgangspunkt und der andere Umkehrpunkt der Endpunkt. Im Ausgangspunkt ragt der Kolbenkopf typischerweise etwas in den Verdichtungsraum hinein und dichtet diesen gegen die Umgebung ab.
Das Ausgangsvolumen ergibt sich aus der Querschnittsfläche des Verdichtungsraumes und dem Abstand zwischen Boden des Verdichtungsraumes und Stirnfläche des Kolbens am Ausgangspunkt. Der Abstand zwischen Boden des Arbeitsraumes und Stirnfläche des Kolbens am Ausgangspunkt wird auch als wirksame axiale Zylinderhöhe bezeichnet.
Das Arbeitsvolumen des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters kann damit auf einfache Art und Weise durch die Veränderung der Lage des Bodens und damit des Abstandes zwischen Boden und Stirnfläche des Kolbens, und/oder durch Veränderung des Durchmessers des Verdichtungsraumes variiert werden.
Nachstehend werden anhand einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters bei der das zylinderförmige Bauteil als Gewindespindel ausgestaltet ist und den mindestens einen Verdichtungsraum enthält, Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters näher beschrieben.
Es versteht sich, dass entsprechende Ausgestaltungen auch für die anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters vorgesehen sein können. Der Verdichtungsraum kann eine Hülse sein, die in das Innere des zylinderförmigen Bauteils eingebracht ist. Vorzugsweise ist die Hülse auswechselbar.
Der Außendurchmesser der Hülse ist an den Innendurchmesser des entsprechenden Hohlraums in dem zylinderförmigen Bauteil angepasst. Da der Innendurchmesser sowie die Länge der Hülse variieren können, erlaubt diese Ausführungsform auf einfache Art und Weise eine Variation des Arbeitsvolumens der Verdichtungsräume.
Für die Kühlung können im Zylindermantel eine oder mehrere Längsbohrungen vorgesehen sein, die sich von einem Ende des zylinderförmigen Bauteils ausgehend in Längsrichtung erstrecken. Diese Längsbohrung dient zur Aufnahme eines Kühlrohres über das Kühlmittel eingeleitet werden kann. Da der Durchmesser des Kühlrohres kleiner gewählt wird als der Durchmesser der Längsbohrung, wird die Hin- und Herbewegung des zylinderförmigen Bauteils nicht behindert.
Die Längsbohrung kann sich über die gesamte Länge des zylinderförmigen Bauteils erstrecken, dabei kann an beiden Enden jeweils ein Kühlrohr vorgesehen sein.
Die Kühlrohre selbst sind feststehend und mit einer Zu- beziehungsweise Ableitung für das Kühlmittel verbunden.
Die Kühlrohre haben vorzugsweise eine Länge, die im Wesentlichen der Tiefe des benachbarten Verdichtungsraumes entspricht.
Der Verdichtungsraum kann von Kanälen umgeben sein, die mit dem Kühlrohr in Verbindung stehen, so dass Kühlmittel um den Verdichtungsraum geführt werden kann.
Ist der Verdichtungsraum als einsetzbare Hülse ausgestaltet, kann in der Außenwandung der Hülse eine spiralförmige Nut vorgesehen sein, die, wenn sie in das Zylinderrohr eingesetzt ist, als Kühlmittelkanal wirkt. Die mindestens eine Längsbohrung ist hier zwischen Zylinderhohlraum und Zylinderaußenfläche vorgesehen. Durch die Hin- und Herbewegung des zylinderförmigen Bauteils werden die oder das Kühlrohr ein- beziehungsweise ausgefahren.
Bei Bedarf können zur Abdichtung gegenüber der Umgebung Dichtungen vorgesehen sein, die sich vorzugsweise im Bereich der Eintrittsstelle des Kühlrohres in die Längsbohrung befinden. Anstelle eines Kühlrohres kann auch ein Kühlschlauch verwendet werden.
Damit ist es möglich auch bewegte Teile eines Kolbenverdichters ausreichend zu kühlen. Der Verdichtungskolben ist dem freien Ende des zylinderförmigen Bauteils mit Verdichtungsraum gegenüberliegend angeordnet und ist relativ zu der Gewindespindel nicht beweglich.
Am Ausgangspunkt der Vorrichtung sollte der Kolbenkopf, zumindest teilweise, in das offene Ende der Gewindespindel hineinragen und den Verdichtungsraum gegen die Umgebung abdichten.
Vorzugsweise ist auch der Kolben mit einer Kühlung ausgestattet.
Für die Zufuhr von Fluid, das verdichtet werden soll, bzw. die Ableitung des verdichteten Fluides können entsprechende Zufuhr- bzw. Abfuhrleitungen in dem Kolben vorgesehen sein. Diese Leitungen münden vorzugsweise an der Stirnfläche des Kolbenkopfes in den Verdichtungsraum. An den Mündungen können Ventile oder ähnliche Verschlüsse vorgesehen sein, um ein Zurückströmen des Fluides bzw. ein vorzeitiges Entweichen des verdichteten Fluides zu verhindern.
An den Ausgangspunkten, an denen das verdichtete Fluid den Verdichtungsraum verlässt, können Sensoren zur Druck- und/oder Temperaturmessung des verdichteten Fluid vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Verdichtungseinheit kann von einem Gehäuse oder einer ähnlichen Vorrichtung umgeben sein.
Das Gehäuse kann ganz oder teilweise geschlossen sein. Die Gewindemutter kann in diesem Fall zweckmäßigerweise an der Gehäusewandung befestigt sein, die sich entlang der Längsachse des zylinderförmigen Bauteils mit Gewinde erstreckt.
Der Kolben kann an einer Gehäusewand befestigt sein, die dem offenen Ende des zylinderförmigen Bauteils mit Gewinde mit Verdichtungsraum gegenüberliegt. In der Gehäusewand an der der Kolben befestigt ist, können Anschlussleitungen vorgesehen sein, die die Zufuhr- bzw. Abfuhrleitung, die im Kolben verlaufen, mit der Umgebung verbinden. Vorzugsweise ist der Gehäuseteil, an dem der Kolben angebracht ist, lösbar mit dem übrigen Gehäuse verbunden. Dies ermöglicht ein einfaches Austauschen des Kolbens und Anpassung der Kolbendimension an ein gegebenenfalls geändertes Arbeitsvolumens des dazugehörigen Verdichtungsraumes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Kolbenverdichter an beiden Enden des zylinderförmigen Bauteils jeweils einen Kolben auf und das zylinderförmige Bauteil ist in zwei Verdichtungsräume unterteilt, die durch eine Trennfläche im Inneren des zylinderförmigen Bauteils voneinander getrennt sein können. Wird das zylinderförmige Bauteil hin- und her bewegt, wird einmal der Verdichtungsraum an einem Ende verkleinert und der Verdichtungsraum am anderen Ende vergrößert beziehungsweise umgekehrt. Diese Ausführungsform erlaubt eine zweistufige Betriebsweise des Kolbenverdichters, indem das Ausgangsvolumen des einen Verdichtungsraumes kleiner als das Ausgangsvolumen des zweiten Arbeitsraumes gewählt wird. Das in dem Verdichtungsraum mit größerem Ausgangsvolumen vorverdichtete Fluid kann über eine Verbindung in der Trennfläche zur weiteren Verdichtung dem Verdichtungsraum mit kleinerem Ausgangsvolumen zugeführt werden. Ein Zurückströmen des komprimierten Fluides kann durch einen Verschluss in der Verbindung unterbunden werden. Geeignete Verschlüsse sind Ventile wie Rück- schlagventile und ähnliches wie sie bei herkömmlichen Kolbenverdichtern gleichfalls eingesetzt werden und bekannt sind.
Analog zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können auch bei der Ausführungsform, bei der das zylinderförmige Bauteil mit Gewinde als Kolben wirkt, der oder die Verdichtungsräume als Hülse ausgestaltet sein. Es können Kühlmittelleitungen vorgesehen sein, die in die Hülsenwandung integriert sind beziehungsweise diese auch umgeben können. Im Betrieb sollte der Kolbenkopf am Ausgangspunkt zumindest soweit in die Öffnung des Verdichtungsraumes hineinragen oder an diesen anschließen, so dass der Verdichtungsraum gegen die Umgebung abgedichtet ist. Der Verdichtungsraum kann mit Zufuhr- beziehungsweise Abfuhrleitungen für die Zufuhr von Fluid, das verdichtet werden soll, beziehungsweise für die Ableitung des verdichteten Fluids versehen sein. An den Mündungen dieser Leitungen in den Verdichtungsraum sind Ventile oder ähnliche Verschlüsse vorgesehen, um ein Zurückströmen des Fluids beziehungsweise ein vorzeitiges Entweichen des komprimierten Fluides zu verhindern. Entsprechend der vorhergehenden Ausführungsform kann auch diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdichtungseinheit von einem Gehäuse oder einer ähnlichen Vorrichtung umgeben sein, die analog wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ausgestaltet sein kann. Beiden Enden des zylinderförmigen Bauteils gegenüberliegend kann jeweils ein Verdichtungsraum angeordnet sein. Diese Verdichtungsräume können unterschiedliche Arbeitsvolumen aufweisen.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter ermöglicht eine große Variabilität des Arbeitsvolumens bei wirksamer Kühlung. Insbesondere können die Stirnflächen der Kolben sowie die Böden der Verdichtungsräume effektiv gekühlt werden, die die Zonen, beziehungsweise Bereiche eines Kolbenverdichters sind, mit der höchsten Wärmeentwicklung. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters ist, dass die lineare Bewegung der Gewindespindel beziehungsweise der Gewindemutter und der Weg, den diese dabei zurücklegen, ohne weiteres genau bestimmbar und einstellbar sind, sodass das Verdichtungsvolumen sehr genau berechenbar ist. Beispielsweise kann die lineare Bewegung des linear bewegten Teils durch Rotationsmessung des rotierenden Teils ermittelt werden, da diese korrelieren. Weiter kann die lineare Bewegung des linear bewegten Teils direkt gemessen werden. Beispielsweise können für die direkte Ermittlung der linearen Bewegung sogenannte inkrementale Wegaufnehmer eingesetzt werden.
Somit ist es möglich, reproduzierbar festgelegte Volumina an verdichtetem Fluid auszustoßen, und die Ausstoßvolumina einzustellen. Eine derartige Bestimmung der Ausstoßvolumina ist mit herkömmlichen Kolbenverdichtern nicht oder nur schwer möglich, da hier die Bewegung der Kolben und damit das Volumen des verdichteten Fluids nicht ohne Weiteres ermittelbar ist.
Erfindungsgemäß ist auch eine präzise massegesteuerte Zudosierung an verdichtete Fluid möglich, indem die Temperatur und der Druck des verdichteten Fluids bestimmt werden. Hierfür können am Ausgangspunkt, das heißt der Stelle an der das verdichtete Fluid den Verdichtungsraum verlässt, entsprechend Temperatur- und Drucksensoren vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter kann druckgesteuert betrieben werden. Hierfür wird zum Beispiel am Ausgangspunkt der Druck des verdichteten Fluids gemessen und der Betrieb des Kolbenverdichters über den Druck gesteuert, indem der ermittelte Druck mit einem Sollwert verglichen wird.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter kann für einen Kompressor oder eine Pumpe eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter kann auf vorteilhafte Weise für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es insbesondere darauf ankommt definierte Volumen beziehungsweise Massen an Fluid zuzudosieren, zum Beispiel Maschinenanlagen, Werkzeuge etc. Beispielsweise können Treibfluide für die Schäumungstechnologie wie Spritzguss, Blastechnik und Extrusion zudosiert werden, sowie Kühlfluide und Schmierfluide.
Gemäß einer Ausführungsform können zwei oder mehr Kolbenverdichtereinheiten parallel zum kombinierten Zudosieren von unterschiedlichen Fluiden betrieben werden, wie zum Beispiel zum kombinierten Zudosieren von chemischen Treibfluid und physikalischen Treibfluid oder kombinierten Zudosieren von Kühlfluid und Schmierfluid.
Ein Beispiel für eine konkrete Anwendung ist die Kühlung mit CO2 von Schneidwerkzeugen und Spanen bei der spanenden Bearbeitung, wie zum Beispiel Bohren, Fräsen, Drehen etc. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine exakte und gleichmäßige Zudosierung von CO2 als Kühlmittel möglich, sodass eine Erhitzung von Schneidwerkzeug und Span verhindert wird. Dadurch ist eine Erhöhung der Vorschubleistung des Schneidwerkzeuges und Erhöhung des Abtrags möglich. Aufgrund des verringerten Verschleißes des Schneidwerkzeugs kann dessen Standzeit verlängert werden. Es wird eine verbesserte Qualität der Oberfläche des Werkstückes erzielt, da eine Beeinträchtigung der Oberfläche des Werkstücks aufgrund übermäßiger Erhitzung beim Abspanen nicht eintreten kann. Dies ist insbesondere bei Kunststoffen ein Vorteil, da diese bei Erwärmung weich werden. Auch wurde beobachtet, dass die Oberflächenspannung im Werkstück drastisch reduziert wird.
Besonders vorteilhaft ist die Zudosierung von Kühlmittel wie CO2, zusammen mit einem Schmiermittel, wie zum Beispiel Ölen, Emulsionen etc. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Zudosierung an Fluid leistungsgesteuert erfolgen. Beispielsweise erfordert eine höhere Leistung, die eine Werkzeugmaschine aufbringen muss, in der Regel auch einen erhöhten Kühlbedarf und erhöhte Kühlmittelzufuhr. Da die Leistung mit dem Stromverbrauch des Motors der Werkzeugmaschine korreliert, wird über die Messung des Stromverbrauchs der Kühlmittelbedarf ermittelt und entsprechend geregelt. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist das Befüllen von Airbagpatronen mit Gas. Bisher musste der Füllzustand über Wiegen bestimmt werden um feststellen zu können, ob die Patrone voll gefüllt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das für die Befüllung erforderliche Gasvolumen durch entsprechende Einstellung des Kolben- Verdichters definiert zuzudosieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können zwei oder mehrere zylinderförmige Bauteile mit einem Antrieb verbunden sein. Dadurch ist es möglich, simultan oder auch zeitlich versetzt, je nach Anforderung, Fluidvolumina zu dosieren und verabzureichen. Beispielsweise können 100 oder mehr zylinderförmige Bauteile gleichzeitig betrieben werden, um so eine Verabreichung eines oder mehrerer Fluide über eine zum Beispiel größere Fläche zu bewirken. Gemäß einer weiteren Anwendungsform können zwei oder mehrere unterschiedliche Fluide simultan zu dosiert werden. Hierzu können beispielsweise zwei oder entsprechend viele erfindungsgemäße Apparaturen synchron geschaltet sein, so dass ein entsprechendes Fluidgemisch zu einer Anwendung zu dosiert werden kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ersichtlich ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zahlreiche Varianten. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kolbenverdichters, bei der das zylinderförmige Bauteil als Gewindespindel wirkt und den Verdichtungsraum enthält, und
Figur 2 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Kolbenverdichters mit seitlich angeordnetem Antrieb.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters mit zylinderförmigen Bauteil 1 und einem ersten Verdichtungsraum 2 und einem zweiten Verdichtungsraum 3, die im Inneren des zylinderförmigen Bauteils 1 vorgesehen sind, mit Öffnungen an den Enden des zylinderförmigen Bauteils.
Die in Figur 1 gezeigte Ausgestaltung ist mit einem Kugelgewindetrieb dargestellt, wobei das zylinderförmige Bauteil 1 gleichzeitig als Kugelspindel ausgestaltet ist.
Den Enden des zylinderförmigen Bauteils 1 gegenüberliegend sind korrespondierend zu dem ersten und zweiten Verdichtungsraum 2, 3 ein erster Kolben 4 und ein zweiter Kolben 5 angeordnet.
Die Verdichtungsräume 2, 3 sind durch einen Trennbereich 6 voneinander abgetrennt, der sich über die Querschnittsfläche des zylinderförmigen Bauteils 1 erstreckt, wodurch die Verdichtungsräume 2, 3 voneinander und gegeneinander abgegrenzt sind.
In dem in der Figur 1 gezeigten oberen Teil des Kolbenverdichters befindet sich der Kolben 4 in seiner Endposition mit kleinsten Volumen des Verdichtungsraumes 2. In dem in der Figur 1 gezeigten unteren Teil des Kolbenverdichters ist der Kolben 5 in seiner Ausgangsposition mit größtem Arbeitsvolumen des Verdichtungsraumes 3.
In der Ausgangsposition ragt der Kolben 5 zumindest teilweise in den Verdichtungsraum 3 hinein und dichtet den Verdichtungsraum 3 dadurch gegenüber der Umgebung ab. Der Verdichtungsraum 3 hat in dieser Position seine maximale wirksame axiale Zylinderhöhe.
Zur besseren Dichtwirkung können in den Umfangflächen der Kolbenköpfe umlaufende Nuten mit Dichtungen vorgesehen sein
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist der Kolbenverdichter von einem Gehäuse 7 umgeben.
Die Kolben 4, 5 sind mit einem Ende jeweils ortsfest an der den offenen Enden des zylinderförmigen Bauteils 1 gegenüberliegenden Abschlussflächen 8, 9 des Gehäuses 7 befestigt. Mit ihrem anderen Ende erstrecken sie sich bis in das der jeweiligen Abschlussfläche 8, 9 gegenüberliegende offene Ende des zylinderförmigen Bauteils 1 . Die Kolben 4, 5 weisen vorzugsweise eine Länge auf, die derart gewählt ist, dass sie in ihrer Ausgangsposition die Abdichtung des dazugehörigen Verdichtungsraums bewirken können.
Im Betrieb wird das zylinderförmige Bauteil 1 über die Kugelmutter 10 linear in axialer Richtung hin und her bewegt. Hierfür hat das zylinderförmige Bauteil 1 in seiner äußeren Mantelfläche eine Laufrinne 1 1 für die Kugeln. In der in der Figur gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Laufrinne 1 1 über die gesamte Länge des zylinderförmigen Bauteils 1 .
Die Kugelmutter 10, die das zylinderförmige Bauteil 1 umgibt, ist hier an den Seitenwänden des Gehäuses 7 ortsfest befestigt.
Ein Antrieb 18 umgibt die Kugelmutter und versetzt diese in Rotation. Schematisch ist als Antrieb ein Elektromotor dargestellt. Vorteilhafterweise ist der Antrieb 18 in das Gehäuse integriert. In Folge der Rotation der Kugelmutter 10 wird das zylinderförmige Bauteil 1 in eine lineare, hier Auf- und Abbewegung, versetzt.
In der Figur ist das zylinderförmige Bauteil 1 in seiner höchsten Position gezeigt.
Für die Fluidzufuhr und -abfuhr des komprimierten Fluides sind in den Kolben (4, 5) Leitungen (12, 13) vorgesehen, die in der Stirnfläche der Kolben (4, 5) münden.
Je nachdem, ob die Leitung der Fluidzufuhr (12) oder der Abfuhr (13) des komprimierten Fluides dient, sind an den Mündungsenden der Leitungen entsprechende Ventile, wie ein Einlassventil oder Auslassventil, vorgesehen.
Beispielsweise kann als Auslassventil ein Rückschlagventil oder ähnliches eingesetzt werden.
Das Einlassventil kann beispielsweise ein Kugelrückschlagventil, ein Tellerfederventil, ein Kegelsitzventil oder Lamellenventil sein.
Prinzipiell können Ein- beziehungsweise Auslassventile verwendet werden, wie sie für handelsübliche Kolbenverdichter eingesetzt werden und bekannt sind.
Für die Kühlung sind zwei Längsbohrungen 14, 15 vorgesehen, die sich jeweils über die gesamte Länge des zylinderförmigen Bauteils 1 erstrecken.
An beiden Enden einer Längsbohrung 14, 15 befindet sich ein Kühlrohr. Die Kühlrohre haben hier vorzugsweise eine Länge, die so bemessen ist, dass sie sich zu dem Zeitpunkt an dem der Kolben maximal in den benachbarten Verdichtungsraum eingreift, in einer Position befinden, die in etwa der Eingriffstiefe des Kolbens entspricht. Die Kühlrohre sind in der Figur durch Querstriche angedeutet, die das Ende des entsprechenden Kühlrohres andeuten sollen, das sich in die Längsbohrung 14, 15 erstreckt.
Anstelle der Kühlrohre können auch Schläuche verwendet werden. Um die Verdichtungsräume 2, 3 können Kanäle herum verlaufen, die mit den Kühlrohren in Verbindung stehen, um eine Zirkulation des Kühlmittels um die Verdichtungsräume herum zu ermöglichen. Der oder die Verdichtungsräume 2, 3 können integraler Bestandteil des zylinderförmigen Bauteils 1 sein und in dessen Korpus hineingearbeitet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung können die Verdichtungsräume 2, 3 Hülsen sein, die als Innenrohre in entsprechende Hohlräume in dem zylinderförmigen Bauteil 1 einsetzbar und vorzugsweise auswechselbar sind. Das zylinderförmige Bauteil 1 kann ein Hohlzylinder sein, in den die Hülsen eingesetzt werden können.
Durch Variation des Innendurchmessers der Hülsen und/oder der Höhe kann hierbei auf einfache Art und Weise das Arbeitsvolumen der Verdichtungsräume 2, 3 in den Hülsen variiert werden.
Entsprechend können bei Bedarf die Kolben ausgetauscht werden und Kolben mit unterschiedlichem Durchmesser und/oder Länge eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise sind die Abschlussflächen 8, 9 mit Kolben 4, 5 und darin befindlichen Anschlussleitungen auswechselbar.
Bei dieser Ausgestaltung kann auf einfache Art und Weise in ein und demselben Kolbenverdichter durch Austausch der Innenhülsen und/oder der Abschlussflächen das zur Verfügung stehende Arbeitsvolumen des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters variiert werden, ohne den kompletten Kolbenverdichter auswechseln zu müssen.
Für eine zweistufige Arbeitsweise können die Verdichtungsräume 2, 3 ein unterschiedlich großes Arbeitsvolumen aufweisen und über eine oder mehrere Verbindungsleitungen, die zum Beispiel mit Einlass- bzw. Auslassventilen ausgerüstet sind, in Verbindung stehen.
Ein in dem Verdichtungsraum mit dem größeren Arbeitsvolumen vorverdichtetes Fluid wird dann über die Verbindungsleitung in den Verdichtungsraum mit kleineren Volumen zur weiteren Verdichtung eingespeist. Die Position der Kugelmutter relativ zum zylinderförmigen Bauteil 1 sowie der Hub des zylinderförmigen Bauteil 1 als Kugelspindel richten sich nach den jeweiligen Anforderungen der konkreten Vorrichtung.
In der Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Kolbenverdichter gezeigt, der im Aufbau im Wesentlichen der Ausgestaltung von Figur 1 entspricht. Allerdings ist hier der Antrieb 18 außerhalb des Gehäuses 7 mit dem Kugelgewindetrieb angeordnet und an dieses angeflanscht. Die Drehbewegung der Kugelmutter 10 wird über einen Riemen 19 vermittelt.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter erlaubt zahlreiche Variationen. Die eine Kolbenseite kann als Niederdrucksystem und die andere Kolbenseite als Hochdrucksystem ausgeführt sein.
Es können in den Verdichtungsräumen unterschiedliche Medien gleichzeitig verdichtet werden.
Beispielsweise kann auf der einen Seite eine Flüssigkeit und auf der anderen Seite ein Gas verdichtet werden.
Insbesondere wenn als Verdichtungsräume auswechselbare Hülsen eingesetzt werden, ermöglicht der erfindungsgemäße Kolbenverdichter eine Variation des zur Verfügung stehenden Arbeitsvolumens für ein und dieselbe Vorrichtung. Ein Austausch der gesamten Vorrichtung ist nicht erforderlich.
Bezugszeichenliste
1 . Zylinderförmiges Bauteil (als Kugelspindel ausgestaltet) 2. erster (oberer) Verdichtungsraum
3. zweiter (unterer) Verdichtungsraum
4. erster (oberer) Kolben
5. zweiter (unterer) Kolben
6. Trennbereich
7. Gehäuse
8. (obere) Abschlussfläche
9. (untere) Abschlussfläche
10. Kugelmutter
1 1 . Laufrinne
12. Fluidzufuhr
13. Fluidabfuhr
14. Kühlmitteleingang
15. Kühlmittelausgang
18. Antrieb
19. Riemen

Claims

Ansprüche
1 . Kolbenverdichter zur Verdichtung von Fluiden mit mindestens einem Verdichtungsraum (2, 3) für die Verdichtung und einem Verdichtungskolben
(4, 5),
wobei der Kolbenverdichter ein zylinderförmiges Bauteil (1 ) aufweist, wobei für den Antrieb des Kolbenverdichters ein Gewindetrieb vorgesehen ist mit einer Gewindespindel und einer Gewindemutter zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung, wobei der linear bewegte Teil des Gewindetriebs mit dem zylinderförmigen Bauteil (1 ) des Kolbenverdichters verbunden ist und dieses im Betrieb des Kolbenverdichters linear bewegt. 2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 ,
wobei in dem zylinderförmigen Bauteil (1 ) an mindestens einem Ende eine Öffnung mit Verdichtungsraum (2, 3) vorgesehen ist, und der Öffnung gegenüberliegend ein Kolben (4, 5) angeordnet ist,
wobei durch die lineare Bewegung des zylinderförmigen Bauteils (1 ) der Verdichtungsraum (2, 3) auf den Kolben (4, 5) aufschiebbar ist.
Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2,
wobei in beiden Enden des zylinderförmigen Bauteils (1 ) jeweils ein offener Verdichtungsraum (2, 3) vorgesehen ist, und beiden Verdichtungsräumen (2, 3) gegenüberliegend ein Kolben (4, 5) angeordnet ist, wobei durch die lineare Bewegung des zylinderförmigen Bauteils (1 ) die Verdichtungsräume (2, 3) abwechselnd auf die Kolben (4, 5) zur Verdichtung aufschiebbar sind.
Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das zylinderförmige Bauteil (1 ) ein Hohlzylinder ist, der ein Innenrohr aufweist, das den mindestens einen Verdichtungsraum (2, 3) umgibt.
5. Kolbenverdichter nach Anspruch 4,
wobei das Innenrohr eine auswechselbare Hülse ist.
6. Kolbenverdichter nach Anspruch 5,
wobei in beiden Enden des zylinderförmigen Bauteils (1 ) eine auswechselbare Hülse als Verdichtungsraum (2, 3) angeordnet ist.
7. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 ,
wobei das zylinderförmige Bauteil (1 ) als Kolben wirkt und mindestens einem Ende des zylinderförmigen Bauteils (1 ) gegenüberliegend ein Verdichtungsraum (2, 3) angeordnet ist, in dem das zylinderförmige Bauteil (1 ) hin und her bewegbar ist.
8. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Kolbenverdichter zwei Verdichtungsräume (2, 3) aufweist, die ein unterschiedlich großes Arbeitsvolumen haben.
9. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der oder die Verdichtungsräume (2, 3) und/oder der oder die Kolben (4, 5) von einem Kühlsystem (14, 15) umgeben sind. 10. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Kolbenverdichter von einem ganz oder teilweise geschlossenem Gehäuse (7) umgeben ist.
1 1 . Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das zylinderförmige Bauteil (1 ) gleichzeitig als Gewindespindel ausgestaltet ist und die Gewindespindel der linear bewegte Teil des Gewindetriebs ist.
12. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei das zylinderförmige Bauteil (1 ) mit der Gewindemutter verbunden ist und die Gewindemutter der linear bewegte Teil des Gewindetriebs ist, oder umgekehrt, wobei das zylinderförmige Bauteil (1 ) mit der Gewindespindel eines Gewindetriebs verbunden ist und die Gewindespindel der linear bewegte Teil des Gewindetriebs ist.
13. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Gewindetrieb ausgewählt ist unter einem Kugelgewindetrieb, Rollengewindetrieb, Planetenwälzgewindetrieb und Trapezgewindetrieb.
14. Kolbenverdichter nach Anspruch 16,
wobei der Gewindetrieb ein Kugelgewindetrieb ist.
15. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwei oder mehrere zylinderförmige Bauteile (1 ) mit einem Antrieb verbunden und gleichzeitig betrieben werden.
16. Verwendung eines Kolbenverdichters nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Dosieren von Fluiden,
wobei die Dosierung volumengesteuert, massegesteuert, leistungsgesteuert oder druckgesteuert erfolgt.
17. Verwendung eines Kolbenverdichters nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwei oder mehr unterschiedliche Fluide simultan zu dosiert werden.
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