WO2013010687A1 - Kolbenverdichter - Google Patents

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WO2013010687A1
WO2013010687A1 PCT/EP2012/057357 EP2012057357W WO2013010687A1 WO 2013010687 A1 WO2013010687 A1 WO 2013010687A1 EP 2012057357 W EP2012057357 W EP 2012057357W WO 2013010687 A1 WO2013010687 A1 WO 2013010687A1
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WO
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valve
compressor according
piston
piston compressor
connection
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Georg Flade
Franz-Josef Ritzen
Klaus Hoff
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Neuman & Esser & Co KG GmbH
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Neuman & Esser & Co KG GmbH
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    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B49/24—Bypassing
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    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves
    • F04B49/24—Bypassing
    • F04B49/243—Bypassing by keeping open the inlet valve

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating compressor according to the preamble of claim 1.
  • Such reciprocating compressors are known for example from DE-PS 681 287 or DE-PS 664 566.
  • the actual intake volume V s is smaller than the theoretical intake volume VHUB-
  • the intake volume can be adjusted via the size of the dead space. Since the dead space in the piston cylinder is not changeable, one has proceeded to volume control to switch on another dead space, which is referred to as Zuschaltraum.
  • a device for flow control of reciprocating compressors with unregulated suction and pressure valves and a fixed Zuschaltraum is known. This Zuschaltraum is connected to the cylinder chamber by a standing under load after the cylinder chamber plate valve which shuts off during each Verdichtungshubes the Zuschalt- space when exceeding the set valve load corresponding compression and during the suction stroke falls below the same pressure in the cylinder chamber again.
  • This connecting valve is manually adjustable via a compression spring, which has the disadvantage that the delivery quantity of the reciprocating compressor can only be adjusted inaccurately and switching to a different delivery quantity is accompanied by a loss of time.
  • the Zuschaltraum is connected by a line to the suction channel of the reciprocating compressor, wherein in the line after the Zuschaltraum back opening check valve is installed, so that the pressure in the Zusalt- space can automatically adjust to the pressure in the suction channel.
  • DE-PS 664 566 describes a piston compressor in which the Zuschaltraum is switched off during the compression stroke by a jerk under the winning mitteid piston slide after overcoming the adjustable pressure of a second means and switched on again during the following suction stroke at the same pressure.
  • a two-stage compressor in which the suction valves are used to connect the Zuschalttsammlung and keeping open the valves by gas pressure.
  • the Zuschaltraum is arranged in front of the suction valve, wherein the suction valve is also used as a Zuschaltventil during the compression phase.
  • a control device is provided with a Drossei beautiful comprising a container and throttle valves, which are adjustable by hand.
  • additional non-return valves have to be installed between the suction valves and a gas reservoir.
  • the suction valves must be equipped with stepped pistons and optionally with a spring device and a gripping device for the valve disk.
  • the throttle device must also be adjusted by hand.
  • the Zuschaltraum is always switched on only during the beginning of the compression process, because the gas to be compressed is sucked by the piston via the Zuschaltraum. The Zuschaltraum is therefore not available during the intake process as additional dead space.
  • a pneumatically actuated sequence valve is that the pressures at the suction port and at the pressure port can be used, which define the maximum and minimum pressures. These pressures are applied directly to the connecting valve by means of the pneumatic control device.
  • Embodiment holds in the closed position and according to another embodiment in the open position, is denoted by Pz.
  • the sequence valve is an additional valve to the valves at the pressure connection and at the suction connection. It is at least one Zuschaltventil, preferably at least two Zuschaltven- tile provided.
  • connection valve Pz
  • Pz To set intermediate values for the delivery quantity, Pz must be set to a value between the minimum value and the maximum value, so that the Zuschaltraum can be switched on and off, which is performed by means of the pneumatic control device.
  • the final pressure P D By means of the pneumatic control device, preferably the final pressure P D can also be reduced to a desired value Pz.
  • the pneumatic control device has a switching valve with which the connection valve can be connected to the suction connection or the pressure connection.
  • the switching valve By switching the switching valve back and forth, ie by alternately applying P S and P D , the intermediate pressures, ie P z , required for setting the desired delivery quantity can be applied to the connecting valve.
  • the pneumatic control device has a throttle device. This throttle device is preferably arranged between the switching valve and the Zuschaltventil.
  • An adjustable throttling device is preferred and has the advantage that different intermediate values Pz between Ps and P D can be set.
  • the control device is connected to the pressure port. By means of the throttle device, the applied final pressure P D is reduced to the desired value Pz, so that a switching back and forth of the changeover valve can be omitted.
  • the pneumatic control device is electrically connected to a control device.
  • This control device preferably has means for inputting the desired delivery quantities of the compressor and preferably calculates therefrom the required pressure P z .
  • the control of, for example, the switching valve and / or the throttling device takes place on the basis of the averaged pressure Pz.
  • a first pressure sensor between the pneumatic control device and the Zuschaltventil is arranged.
  • the actual applied to the Zuschaltventil pressure Pz can be measured.
  • this first pressure sensor is also connected to the control device, so that the calculated and the measured pressure P z can be adjusted.
  • a second pressure sensor on the suction flange and a third pressure sensor on the pressure connection are preferably electrically connected to the control device.
  • the values measured at the suction flange and at the pressure port can also be included in the control of the pneumatic control device. By this measure, the accuracy of the adjustment of the delivery quantity is further improved.
  • the pneumatic control device preferably in conjunction with the control device, a quick and easy adjustment of the delivery quantity of the compressor and thus a quick conversion to other delivery quantities is possible. In particular, in applications in connection with natural gas storage, it depends on a rapid delivery adjustment, which is possible with the piston compressor according to the invention in a simple manner.
  • the pneumatic control device has at least one control chamber.
  • This control chamber is preferably arranged between the connecting valve and the switching valve and / or the throttle device.
  • the control chamber preferably directly adjoins the or the Zuschaltventil / e.
  • the control room serves to the pressure surges, z. B. occur when switching the switching valve to mitigate.
  • the control chamber is preferably an additional space to the required pipeline leading from the Zuschaltventil to the switching valve or the throttle device.
  • the control chamber can be formed by a cross-sectional widening in comparison to the cross-section of the pipeline. It is advantageous if the control chamber has a volume which is significantly larger than the volume of the subsequent pipeline, so that the leaks occurring at the connection valve does not lead to a permanent switching of the changeover valve in control mode.
  • the control room also allows the control of several Zuschaltventilen.
  • the control room is a common room for several additional valves.
  • Several connection valves can be combined to form a valve unit.
  • each valve unit has a common control chamber.
  • a plurality of valve units may be provided, the control chambers are connected via their own pipes.
  • the control chamber is integrated in the piston cylinder.
  • the reciprocating compressor thereby has a compact design.
  • control chamber is arranged between the cylinder cover and the compression space.
  • control chamber is integrated in the cylinder cover, which also reduces the manufacturing cost of the reciprocating compressor.
  • the control space is preferably separated from the compression space of the piston cylinder by an intermediate wall arranged in the piston cylinder.
  • the intermediate wall preferably extends perpendicular to the axis of the Koi- cylinder.
  • the intermediate wall is preferably arranged in the frontal region of the piston cylinder.
  • the compression space is preferably bounded by the intermediate wall.
  • the Zuschaltventil is preferably located within the piston cylinder.
  • the Zuschaltraum has at least a first region, which is preferably provided within the piston cylinder. It is thereby created a compact arrangement, which has the further advantage that the existing dead space is not increased.
  • the dead space z. B. by a supply from
  • the Zuschaltraum has a second region, which is provided according to a first embodiment outside of the piston cylinder and is preferably housed in a container.
  • This container takes up the larger volume of the Zuschaltraums. If necessary, to adapt the volume of the Zuschaltraums this container can be easily replaced, the arrangement of the first region thereof is not affected.
  • the second region of the Zuschaltraums is also disposed within the piston cylinder. Particularly preferred is an accommodation of the second region of the Zuschaltraums in the cylinder cover.
  • the second area is preferably bounded by the intermediate wall opposite the compression space. If preferably the one or more control rooms are also in the space between partition and cylinder cover, the control room has its own housing.
  • the first region of the Zuschaltraums is arranged in the intermediate wall connecting channel.
  • the Zuschaltventil is also arranged in the intermediate wall.
  • the sequence valve is preferably arranged in front of the connecting channel.
  • the Zuschaltventil is thus located between the compression space and the connecting channel, so that the dead space is not increased within the compression space.
  • the Zuschaltventil according to a first embodiment on a dumbbell-shaped valve body.
  • the advantage of this embodiment of the valve body is that the valve body can be pressurized from both sides, namely the pressure of the control chamber and the pressure of the compression space.
  • the waisted portion of the valve body in the open position of the Ventii operates the connection between the compression chamber and connecting channel ago.
  • the valve body preferably has a valve disc on each end face, wherein a first valve disc faces the compression space and a second valve disc faces the pneumatic control device.
  • both valve discs and thus the pressure surfaces of the valve body are the same size.
  • the valve disks are preferably circular, wherein the thickness d of the valve disks is preferably smaller than the diameter D of the valve disks.
  • the second valve disc opens or closes the access to the connection space, in particular to the connection channel.
  • the first valve disc has no closing and sealing function, but only a guiding function for the valve body. It is therefore preferred that the connection valve has only a cylindrical valve body with height h and diameter D, wherein preferably h> D.
  • the valve body has an upper and a lower cover surface. The upper Deckfiambae is the control room and the lower Deckfiache faces the compression space.
  • the valve seat is preferably designed such that the lower cover surface is pressed against the valve seat in the closed position with an axial force component.
  • the advantage of this embodiment is that leakage losses between Zuschaltraum and compression space when switching the Zuschaltventils be avoided by open position in the closed position more effective.
  • the cylindrical valve body is preferably a straight circular cylinder.
  • connection valve preferably has sealing means. These are preferably provided on the cylindrical valve body on the two cover surfaces.
  • the cylindrical valve body may preferably have a
  • Figure 1 is a PV diagram of a reciprocating compressor according to the prior
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a piston compressor according to the invention
  • Figure 4 is a PV diagram for explaining the operation of the in the
  • FIG. 7 shows a PV diagram for the valve arrangement according to FIG. 6, wherein the
  • FIG. 2 schematically shows a piston compressor 1 which has a piston cylinder 4 in which a piston 5 (see FIG. 3) is arranged.
  • a suction port 2 and a Druckanschiuss 3 with corresponding suction and pressure valves 8, 9 are arranged. Via the suction port 2, the gas to be compressed is sucked in and via the Druckanschius 3, the compressed gas is discharged. This is symbolized by the arrows.
  • control chamber 20 is arranged, which is explained in more detail in connection with the figure 3.
  • a pipe 36 is connected, which connects the control chamber 20 with a switching valve 32, which is designed as a 3/2-way valve.
  • This switching valve 32 is part of an adjusting device 30, which is designed as a pneumatic control device 31, and is connected to a pipe 37 to the Druckanschius 3 and via a pipe 38 to the suction port 2.
  • the switching valve 32 allows an optional connection of the control chamber 20 with the suction port 2 and the Druckanschiuss 3 or a complete interruption with these two terminals.
  • a second pressure sensor 72 and a third pressure sensor 74 are connected in each case.
  • a first pressure sensor 76 is connected to the pipeline 36. All the pressure sensors 72, 74, 76 are electrically connected via the connecting lines 82, 84, 86 to a regulating device 70, so that the pressure values in this regulating device 70 can be processed.
  • This controller 70 has means for entering delivery quantities. This input can be z. B. via a keyboard.
  • the control unit calculates the connection pressure P z from the values entered and controls it via the
  • an adjustable throttle device 34 may be provided in the pipeline 36, which is controlled via the electrical line 88. This is shown in detail in FIG.
  • the control device 70 controls the working space, ie the compression space control and processes the measured values for suction and discharge pressure. It is therefore provided within the control device, a control unit, which converts the supply quantity specification linearly in the lying between suction and discharge pressure Zuschaltdruck P z .
  • the control device may further include a process control, with which the suction or end or differential pressure is kept constant.
  • a process control with which the suction or end or differential pressure is kept constant.
  • FIG. 3a, b an enlarged view of the piston cylinder 4, the Zuschaltraums 40 and the pneumatic control device 30 is shown.
  • the piston cylinder 4 receives the movable piston 5 with piston rod 6, which sucks the gas to be compressed via the suction port 2 and discharges via the pressure port 3 compressed gas.
  • Adjacent to this dead space 12 is an intermediate wall 24 with connection valves 50, with which the connection space 40 can be switched on or off.
  • the intermediate wall 24 is arranged perpendicular to the longitudinal axis 10 of the piston cylinder 4 in the piston cylinder.
  • intermediate wall 24 is a control chamber 20.
  • the intermediate wall 24 and the control chamber 20 are integrated into the cylinder cover 22.
  • the intermediate wall 24 with the valves 50 can be preassembled in the cylinder cover 22.
  • a connecting channel 44 is provided, which continues in the cover flange 23.
  • a container 42 is arranged to the connecting channel 44.
  • the connecting channel 44 forms a first region 46 of the Zuschaltraums 40, while the container 42 forms the second region 48 of the Zuschaltraums.
  • the container 42 has the larger volume of the Zuschaltraums and can be replaced if necessary.
  • a plurality of Zuschaltventile 50 are arranged, which have displaceable in the vertical direction valve body 52.
  • Each valve body 52 is formed dumbbell-shaped and has a first valve disc 56 and a second valve disc 54, the body portion 58 are connected to each other via a waisted valve.
  • the second valve disk 54 in the intermediate wall 24 is assigned a valve seat 60.
  • FIG. 3 a shows the open position of the connection valves 50, in which the valve disc 56 does not bear against the valve seat 60, so that the compression space is connected to the connection channel 44.
  • FIG. 3b shows the connection valves 50 in the closed position.
  • the inner surface of the first valve disc 56 abuts against the valve seat 60, so that the connection of the compression chamber 7 and the connecting channel 44 is interrupted.
  • the first valve disk 54 bears against a stop 26 in the region of the opening 28.
  • the second valve disc 54 faces the control chamber 20 and is acted upon via the control chamber 20 with the Zuschalttik P z .
  • the control chamber 20 has a defined volume for reducing pressure surges. All Valve body are connected via openings 28 in the intermediate wall 24 with the control chamber 20 in connection. Thus, it is possible that all the additional valves 50 can be acted upon at the same time with the pressure P z .
  • the cylinder cover 22 and thus the control chamber 20 are connected via the pipe 36 and the controllable throttle valve 34 with the switching valve 32, which in turn is connected to the pipes 37 and 38 with the pressure connection 3 and the Sauganschius 2. Via the electrical line 80, the switching valve 32 is controlled by the control device 70.
  • FIG. 4 shows the pV diagram of the piston compressor according to the invention, wherein the connection space 40 is active in the suction pressure range between P s and P z .
  • the theoretical curves A and B from FIG. 1 are indicated by dashed lines.
  • the valve position and flow shown in FIG. 3a are assigned to the region ef in the pV diagram of FIG.
  • the piston 5 is brought to its minimum stroke position in the area fa, wherein the gas to be compressed is sucked.
  • the piston then moves upward and compresses the gas, wherein at point b, the pressure P z is reached in the compression chamber.
  • the pressure P z is the acting on the valves Zuschalttik which prevails in the control chamber 20.
  • the Zuschaltventiie 50 are brought into its closed position, so that the first valve disc 56 rests against the valve seat 60 and the access to the connecting channel 44 is interrupted.
  • the connection space 40 is separated from the compression space 7 at the point b (see FIG. 3b).
  • the delivery quantity is indicated by the solid lines over the distance a, b, c, d, e, f, cd.
  • the delivery quantity is proportional to the distance.
  • the curve is set and adjusted the delivery quantity.
  • FIG. 5 shows the delivery quantity in relation to the full load as a function of the intermediate pressure P z . It can clearly be seen that the theoretical delivery amount represented by the straight line deviates only slightly from the actual delivery quantity represented by the squarated line. Thus, the flow rate can be very well approximate by a linear approach. Of course, the control device 70, the exact application-related history can be made available.
  • FIGS. 3 a, b and 7 the second installation alternative of the Zuschaltventile 50 is shown. While in the embodiment illustrated in FIGS. 3 a, b the first valve disc 56 opens or closes the access to the connecting channel 44, in the illustration shown here, the second valve disc 54 is arranged such that it contacts the valve seat 60 and thus access to the connecting channel 44 opens and closes.
  • This arrangement has the advantage that the connection space is active in the end pressure range (pressure range between P z and P D ) (see FIG.
  • This arrangement has the additional advantage that when 100% promotion the Zuschaltventil is closed during the intake defined and thus no loss of flow caused by late closing of the valve. Furthermore, there is no appreciable leakage from the control chamber 20 into the compression chamber 7.
  • the thickness d and the diameter D of the valve disks 54,56 is located.
  • FIG. 8 shows a further embodiment in which a plurality of connecting valves 50 are combined to form a valve unit 62.
  • the valve units 62 are arranged in the intermediate wall 24 and have a housing 64 which limits the control chamber 20.
  • the three control chambers 20 are connected to the pipeline 36 via pipelines 36a, b, c.
  • each valve unit 62 each one in the intermediate wall 24 befind Anlagen connection channel 44, which forms the first portion 46 of the Zuschaltraums 40, in the second region 48 of the Zuschaltraums 40.
  • the second portion 48 of the Zuschaltraums 40 is located in the cylinder cover 22.
  • An additional container 42 is not required in this embodiment, since the second region 48 of the Zuschaitraums 40 is integrated into the piston cylinder 4.
  • the advantage of this arrangement is that only one or a few standardized venting units are required, which can then be combined independently of the application.
  • the cylinder ceiling! 22 without additional container 42 can be used as Zuschaltraum 40.
  • the control chamber 20 is part of the valve unit 62.
  • the control chambers 20 are connected to the pipes 36a, b, c gas-tight against the Zuschaltraum 40 via the pipe 36 to the switching valve 32.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the connection valve 50.
  • the valve body 52 is a right circular cylinder with height h and diameter D, where h> D.
  • the circular cylinder On the two cover surfaces 53a, b, the circular cylinder has sealing means 59a, b.
  • the sealing means 59a consists of an annular elevation at the edge of the cover surface 53a. In open division (position A), the sealing means 9 a abuts the stop 26 and seals against the control chamber 20.
  • the lower cover surface 53b merges into the cylinder jacket of the valve body 52 via a curve. This rounding forms the sealant 59b. In the closed position (position B), the rounding abuts the valve seat 60.
  • the valve seat 60 is conical in this embodiment.
  • the lower cover surface 53b is formed with the rounding 5 formed as sealing means 59b with an axial, d. H. pressed in the direction of the longitudinal axis of the valve body force component against the valve seat.
  • the valve body 52 on the lower top surface 53b has a smaller diameter than the valve body 52 pin 57, which has the task of minimizing the design-related dead space of the valve to affect the capacity of the compressor at full load as low as possible.
  • the connecting valve is guided in a bore 29 of the intermediate wall 24 and is in the open position A (pressure P in the compression chamber 7> Pz) with the sealing means 59a to the stop 26 at.
  • the compression chamber 7 is in fluid communication with the connecting channel 44.
  • the closed position B pressure p in the compression space 7 ⁇ P z
  • the sealant 59b bears against the valve seat 60, so that the connection between the compression space 7 and the connecting passage 44 is interrupted.
  • the pressure in the connecting channel 44 remains, ie the pressure in the Zuschaltraum 40 at the pressure P z in the control chamber 20.
  • the spaces 20 and 40 can communicate with each other, which is harmless insofar as the Zuschaltraum 40 is effectively sealed against the compression chamber 7 ,
  • third pressure sensor 80 electrical connection line 82 electrical connection line 84 electrical connection line 86 electrical connection line 88 electrical connection line

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es wird ein Kolbenverdichter (1) mit mindestens einem Kolbenzylinder (4) beschrieben. Der Kolbenzylinder (4) weist mindestens einen Kompressionsraum (7) sowie mindestens einen Sauganschluss (2) und einen Druckanschluss (3) auf. Es ist weiterhin mindestens ein unveränderlicher Zuschaltraum (40) vorgesehen mit mindestens einem Zuschaltventil (50) und einer Stelleinrichtung (30) für das Zuschaltventil, wobei der Kompressionsraum (7) und der Zuschaltraum (40) über das Zuschaltventil (50 strömungsmäßig miteinander verbunden sind. Die Stelleinrichtung (30) ist eine pneumatische Steuereinrichtung (31 ) und das Zuschaltventil (50) ein pneumatisch betätigbares Ventil. Das Zuschaltventil (50) kann über die pneumatische Steuereinrichtung (31 ) wahlweise mit dem Sauganschluss (2) oder dem Druckanschluss (3) des Kolbenzylinders (4) verbunden werden.

Description

Kolbenverdichter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Kolbenverdichter sind beispielsweise aus der DE-PS 681 287 oder der DE-PS 664 566 bekannt.
Der Kolben des Kolbenverdichters wird in einem Kolbenzylinder zwischen seiner minimalen Hubstellung und seiner maximalen Hubstellung hin- und herbewegt, wobei das zu verdichtende Gas eingesaugt, verdichtet und ausgetragen wird. Wird der Kolben aus seiner maximalen Hubstellung in seine minimale Hubstellung bewegt, hat die Volumenzunahme innerhalb des Kolbenzylinders eine Druckabnahme zur Folge, bis der Zylinderinnendruck unter den Saugdruck des Saugraums fällt. In diesem Moment wird das Saugventil selbsttätig geöffnet und das Gas wird aus einem außerhalb angeordneten Saugraum angesaugt. Das Gas wird mit einem Druck Pi = Ps dem sich bewegenden Kolben nachgeschoben. Während des gesamten Kolbenwegs bleibt der Druck Pi = Ps annähernd konstant. Das theoretische Saugvolumen ist gleich dem Zylindervolumen. Im Augenblick der Kolbenumkehr schließt das Saugventil und es beginnt die Verdichtung des Gases. Bei Erreichen des Enddrucks PD = P2 öffnet das Druckventil und das Gas wird unter annähernd konstantem Gegendruck P2 bei der weiteren Kolbenbewegung ausgeschoben. Das theoretische Kompressionsdiagramm ist in Figur 1 dargestellt (siehe 1-2-3-4). Das tatsächliche Kompressionsdiagramm weicht von diesem theoretischen Diagramm unter anderem deswegen ab, weil im Kolbenzylinder immer ein Schadraum V0 vorhanden ist. Darunter wird der verbleibende Raum bei maximaler Hubstellung verstanden. Dieser Totraum kann vom Kolben bei seiner Hin- und Herbewegung nicht ausgefüllt werden. Dieser Schadraum oder Totraum V0 ist daher am Ende des Ausschiebens noch mit Gas mit dem Druck P2 gefüllt.
Bei selbsttätigen Ventilen muss deshalb das Gas erst auf den Ausgangsdruck Pi zurückexpandieren, bevor sich das Saugventil öffnet und neues Gas ange- saugt werden kann. Das Ansaugen beginnt daher erst in Position 4".
Das tatsächliche Ansaugvolumen Vs ist kleiner als das theoretische Ansaugvolumen VHUB- Über die Größe des Schadraums kann somit das Ansaugvolumen eingestellt werden. Da der Schadraum im Kolbenzylinder nicht veränderbar ist, ist man zur Mengenregelung dazu übergegangen, einen weiteren Schadraum zuzuschalten, der als Zuschaltraum bezeichnet wird. Aus der DE-PS 681 287 ist eine Vorrichtung zur Mengenregelung von Kolbenverdichtern mit ungeregelten Saug- und Druckventilen und einem unveränderlichen Zuschaltraum bekannt. Dieser Zuschaltraum ist mit dem Zylinderraum durch ein unter Belastung stehendes nach dem Zylinderraum zu öffnendes Plattenventil verbunden, das während jedes Verdichtungshubes den Zuschalt- räum bei Überschreitung des der eingestellten Ventilbelastung entsprechenden Verdichtungsdrucks abschaltet und während des Saughubes bei Unterschreitung des gleichen Drucks im Zylinderraum wieder zuschaltet. Dieses Zuschaltventil ist über eine Druckfeder manuell einstellbar, was den Nachteil hat, dass die Liefermenge des Kolbenkompressors nur ungenau eingestellt werden kann und ein Umschalten auf eine andere Liefermenge mit Zeitverlust einhergeht. Außerdem ist der Zuschaltraum durch eine Leitung mit dem Saugkanal des Kolbenverdichters verbunden, wobei in der Leitung ein nach dem Zuschaltraum hin öffnendes Rückschlagventil eingebaut ist, so dass sich der Druck im Zus- chaltraum selbsttätig dem Druck im Saugkanal angleichen kann.
Die DE-PS 664 566 beschreibt einen Kolbenverdichter, bei dem der Zuschaltraum während des Verdichtungshubes durch einen unter dem Fördermitteid ruck stehenden Kolbenschieber nach Überwindung des einstellbaren Druckes eines zweiten Mittels abgeschaltet und während des folgenden Saughubes bei gleichem Druck wieder zugeschaltet wird.
Aus der DE-PS 857 259 ist ein zweistufiger Verdichter bekannt, bei dem die Saugventile zur Zuschaltung der Zuschalträume benutzt werden und das Offen- halten der Ventile durch Gasdruck erfolgt. Bei diesem Kolbenverdichter ist der Zuschaltraum vor dem Saugventil angeordnet, wobei das Saugventil auch als Zuschaltventil während der Verdichtungsphase zum Einsatz kommt.
Das auf Enddruck gebrachte Gas wird auf den gewünschten Abhebedruck ge- drosselt und damit die Rückseite der Saugventile beaufschlagt. Hierzu ist eine Regeleinrichtung mit einer Drosseieinrichtung vorgesehen, die einen Behälter und Drosselventile umfasst, die von Hand einstellbar sind.
Um im Bereich der Saugventile Zuschalträume bereitstellen zu können, müssen zusätzliche Rückschlagventile zwischen den Saugventilen und einem Gasreservoir eingebaut werden. Die Saugventile müssen mit Stufenkolben und gegebenenfalls mit einer Federeinrichtung sowie einer Greifeinrichtung für den Ventilteller ausgestattet werden. Die Drosseleinrichtung muss außerdem von Hand eingestellt werden. Der Zuschaltraum ist immer nur während des Beginns des Verdichtungsvorgangs zugeschaltet, weil das zu verdichtende Gas vom Kolben über den Zuschaltraum angesaugt wird. Der Zuschaltraum steht daher während des Ansaugvorgangs nicht als zusätzlicher Schadraum zur Verfügung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenverdichter bereitzustellen, dessen Liefermenge schnell und auf einfache Weise möglichst genau einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Vorteil eines pneumatisch betätigbaren Zuschaltventils besteht darin, dass die Drücke am Sauganschluss und am Druckanschluss genutzt werden können, die den Maximal- und den Minimaldruck definieren. Diese Drücke werden unmittelbar am Zuschaltventil mittels der pneumatischen Steuereinrichtung angelegt. Der Druck, der am Zuschaltventil anliegt und das Zuschaltventil gemäß einer
Ausführungsform in Schließstellung und gemäß einer anderen Ausführungsform in Offenstellung hält, wird mit Pz bezeichnet. Das Zuschaltventil ist ein zusätzliches Ventil zu den Ventilen am Druckanschluss und am Sauganschluss. Es ist mindestens ein Zuschaltventil, vorzugsweise sind mindestens zwei Zuschaltven- tile vorgesehen.
Unter„pneumatisch" wird nicht nur„mittels Luft" sondern allgemein„mittels Gas" verstanden, wobei jedes beliebige Prozessgas verwendet werden kann. Wenn der Saugdruck Ps am Zuschaltventil anliegt (Ps = Pz) ist die Liefermenge des Kolbenverdichters gleich Null, weil der Zuschaltraum ständig zugeschaltet ist. Hierbei wird vorausgesetzt, dass das Volumen des Zuschaltraums so dimensioniert ist, dass es gerade nicht zum Öffnen des Druckventils kommt. Wird hingegen der Enddruck Po des Druckanschlusses am Zuschaltventil angelegt (PD = Pz), ist die Liefermenge 100 %, da der Zuschaltraum überhaupt nicht zugeschaltet wird. Um Zwischenwerte für die Liefermenge einstellen zu können, muss Pz auf einen Wert zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert eingestellt werden, damit der Zuschaltraum zu- und abgeschaltet werden kann, was mittels der pneumatischen Steuereinrichtung durchgeführt wird. Mittels der pneumatischen Steuereinrichtung kann vorzugsweise auch der Enddruck PD auf einen gewünschten Wert Pz reduziert werden.
Vorzugsweise weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Umschaltventil auf, mit dem das Zuschaltventil mit dem Sauganschluss oder dem Druckanschluss verbunden werden kann. Durch Hin- und Herschaiten des Umschaltventils, d. h. durch abwechselndes Anlegen von PS und PD können am Zuschaltventil die für die Einstellung der gewünschten Liefermenge erforderlichen Zwischendrücke d. h. Pz, angelegt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die pneumatische Steuereinrichtung eine Drosseleinrichtung auf. Diese Drosseleinrichtung ist vorzugsweise zwischen dem Umschaltventil und dem Zuschaltventil angeordnet. Eine einstellbare Drosseleinrichtung ist bevorzugt und besitzt den Vorteil, dass damit verschiedene Zwischenwerte Pz zwischen Ps und PD einstellbar sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Steuereinrichtung mit dem Druckanschluss verbunden. Mittels der Drosseleinrichtung wird der anliegende Enddruck PD auf den gewünschten Wert Pz reduziert, so dass ein Hin- und Herschalten des Umschaltventils entfallen kann. b e
vorzug s weise ist die pneumatische Steuereinrichtung an eine Regeleinrichtung elektrisch angeschlossen. Diese Regeleinrichtung weist vorzugsweise Mittel zur Eingabe der gewünschten Liefermengen des Kompressors auf und berechnet vorzugsweise daraus den erforderlichen Druck Pz. Anhand des e?mittelten Dru- ckes Pz erfolgt die Ansteuerung beispielsweise des Umschaltventiis und/oder der Drosseleinrichtung.
Vorzugsweise ist ein erster Drucksensor zwischen der pneumatischen Steuereinrichtung und dem Zuschaltventil angeordnet. Damit kann der tatsächlich an dem Zuschaltventil anliegende Druck Pz gemessen werden.
Vorzugsweise ist dieser erste Drucksensor ebenfalls an die Regeleinrichtung angeschlossen, so dass der berechnete und der gemessene Druck Pz abgeglichen werden können.
Es ist weiterhin vorteilhaft, auch einen zweiten Drucksensor am Sauganschiuss und einen dritten Drucksensor am Druckanschluss vorzusehen. Auch der zweite und der dritte Drucksensor sind vorzugsweise elektrisch an die Regeleinrichtung angeschlossen. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Werte, die am Sauganschiuss und am Druckanschluss gemessen werden, ebenfalls in die Regelung der pneumatischen Steuereinrichtung einbezogen werden können. Durch diese Maßnahme wird die Genauigkeit der Einstellung der Liefermenge weiter verbessert. Mittels der pneumatischen Steuereinrichtung, vorzugsweise in Verbindung mit der Regeleinrichtung, ist ein schnelles und einfaches Einstellen der Liefermenge des Kompressors und damit auch eine schnelle Umstellung auf andere Liefermengen möglich. Insbesondere bei Anwendungen im Zusammenhang mit Erdgasspeichern kommt es auf eine schnelle Liefermengenanpassung an, was mit dem erfindungsgemäßen Kolbenverdichter auf einfache Weise möglich ist. Vorzugsweise weist die pneumatische Steuereinrichtung mindestens einen Steuerraum auf. Dieser Steuerraum ist vorzugsweise zwischen dem Zuschaltventil und dem Umschaltventil und/oder der Drosseleinrichtung angeordnet. Der Steuerraum grenzt vorzugsweise unmittelbar an das oder die Zuschaltventil/e an. Der Steuerraum dient dazu, die Druckstöße, die z. B. beim Umschalten des Umschaltventils auftreten, abzumildern.
Der Steuerraum ist vorzugsweise ein zusätzlicher Raum zu der erforderlichen Rohrleitung, die vom Zuschaltventil zum Umschaltventil oder der Drosseleinrichtung führt. Der Steuerraum kann durch eine Querschnittserweiterung im Ver- gleich zum Querschnitt der Rohrleitung gebildet werden. Es ist von Vorteil, wenn der Steuerraum ein Volumen aufweist, das deutlich größer als das Volumen der anschließenden Rohrleitung ist, damit die am Zuschaltventil auftretenden Leckagen nicht zu einem permanenten Schalten des Umschaltventils im Regelbetrieb führt.
Der Steuerraum ermöglicht auch die Ansteuerung von mehreren Zuschaltventilen. Der Steuerraum ist ein für mehrere Zuschaltventile gemeinsamer Raum. Mehrere Zuschaltventile können zu einer Ventileinheit zusammengefasst sein. In diesem Fall weist jede Ventileinheit einen gemeinsamen Steuerraum auf. In einem Kolbenzylinder können mehrere Ventileinheiten vorgesehen sein, deren Steuerräume über eigene Rohrleitungen angeschlossen sind. Mehr als ein Zuschaltventil vorzusehen hat den Vorteil, dass das System aus einer oder mehreren Ventileinheiten modular aufgebaut werden kann und dadurch Vorteile durch Serienfertigung der Ventile und einfachere Lagerhaltung erreicht werden. Vorzugsweise ist der Steuerraum im Kolbenzylinder integriert. Der Kolbenverdichter weist dadurch eine kompakte Bauweise auf.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Steuerraum zwischen dem Zylinderdeckel und dem Kompressionsraum angeordnet. Besonders platzsparend ist der Steuerraum im Zylinderdeckel integriert, was auch die Herstellkosten des Kolbenverdichters reduziert.
Vorzugsweise ist der Steuerraum von dem Kompressionsraum des Kolbenzylin- ders durch eine im Kolbenzylinder angeordnete Zwischenwand voneinander getrennt.
Die Zwischenwand erstreckt sich vorzugsweise senkrecht zur Achse des Koi- benzylinders. Die Zwischenwand ist vorzugsweise im stimseitigen Bereich des Kolbenzylinders angeordnet. Der Kompressionsraum wird vorzugsweise von der Zwischenwand begrenzt.
Das Zuschaltventil befindet sich vorzugsweise innerhalb des Kolbenzylinders. Der Zuschaltraum weist mindestens einen ersten Bereich auf, der vorzugsweise innerhalb des Kolbenzylinders vorgesehen ist. Es wird dadurch eine kompakte Anordnung geschaffen, die den weiteren Vorteil hat, dass der vorhandene Schadraum nicht vergrößert wird. Bei einem vom Kolbenzylinder entfernt angeordneten Zuschaltraum, bei dem das Zuschaltventil außerhalb des Kolbenzylin- ders vorgesehen ist, würde der Schadraum z. B. durch eine Zuleitung vom
Kompressionsraum bis zum Zuschaltventil vergrößert. Eine solche Schadraumvergrößerung beeinträchtigt sowohl die Leistung des Kolbenverdichters als auch die Genauigkeit der Liefermengeneinstellung. Dadurch, dass sich der Zuschaltraum bis in den Kolbenzylinder erstreckt, werden Zuleitungen zum Zuschaltraum eingespart und der Schadraum nicht oder nur minimal vergrößert. Dadurch wird eine größere Genauigkeit bezüglich der Einstellung der Liefermenge des Kolbenverdichters erreicht.
Der Zuschaltraum weist einen zweiten Bereich auf, der gemäß einer ersten Ausführungsform außerhalb des Kolbenzylinders vorgesehen ist und vorzugsweise in einem Behälter untergebracht ist. Dieser Behälter nimmt das größere Volumen des Zuschaltraums auf. Bei Bedarf kann zur Anpassung des Volumens des Zuschaltraums dieser Behälter auf einfache Weise ausgetauscht werden, wobei die Anordnung des ersten Bereichs hiervon nicht beeinträchtigt wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist der zweite Bereich des Zuschaltraums ebenfalls innerhalb des Kolbenzylinders angeordnet. Besonders bevorzugt ist eine Unterbringung des zweiten Bereichs des Zuschaltraums im Zylinderdeckel. Bei dieser Ausführungsform wird der zweite Bereich vorzugsweise durch die Zwischenwand gegenüber dem Kompressionsraum begrenzt. Wenn bevorzugt der oder die Steuerräume sich ebenfalls im Raum zwischen Zwischenwand und Zylinderdeckel befinden, weist der Steuerraum ein eigenes Gehäuse auf. Vorzugsweise ist der erste Bereich des Zuschaltraums ein in der Zwischenwand angeordneter Verbindungskanal.
Vorzugsweise ist das Zuschaltventil ebenfalls in der Zwischenwand angeordnet. Das Zuschaltventil ist vorzugsweise vor dem Verbindungskanal angeordnet. Das Zuschaltventil befindet sich somit zwischen dem Kompressions räum und dem Verbindungskanal, so dass der Schadraum innerhalb des Kompressionsraumes nicht vergrößert wird. Vorzugsweise weist das Zuschaltventil gemäß einer ersten Ausführungsform einen hanteiförmigen Ventilkörper auf. Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Ventilkörpers besteht darin, dass der Ventilkörper von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden kann, nämlich vom Druck des Steuerraums und vom Druck des Kompressionsraums. Der taillierte Bereich des Ventilkörpers stellt in Offenstellung des Ventiikörpers die Verbindung zwischen Kompressionsraum und Verbindungskanal her.
Der Ventilkörper weist vorzugsweise an jeder Stirnseite eine Ventilscheibe auf, wobei eine erste Ventilscheibe dem Kompressionsraum und eine zweite Ventilscheibe der pneumatischen Steuereinrichtung zugewandt ist. Vorzugsweise sind beide Ventilscheiben und somit die Druckflächen des Ventilkörpers gleich groß gewählt. Die Ventilscheiben sind vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, wobei die Dicke d der Ventilscheiben vorzugsweise kleiner dem Durchmesser D der Ventilscheiben ist.
Für die Anordnung und Einbaulage der Ventile gibt es zwei Alternativen. Gemäß der ersten Alternative öffnet und verschließt die erste Ventilscheibe den Zugang zum Zuschaltraum, insbesondere zum Verbindungskanal. Diese Alternative wird eingesetzt, wenn der Zuschaltraum im Saugdruckbereich aktiv sein soll.
Gemäß der zweiten Alternative ist vorgesehen, dass die zweite Ventilscheibe den Zugang zum Zuschaltraum, insbesondere zum Verbindungskanal, öffnet oder verschließt.
Diese Alternative wird eingesetzt, wenn der Zuschaltraum im Enddruckbereich eingesetzt werden soll.
In diesem Anwendungsfall hat die erste Ventiischeibe keine Schließ- und Ab- dichtfunktion, sondern nur noch eine Führungsfunktion für den Ventilkörper. Es ist daher bevorzugt, dass das Zuschaltventil lediglich einen zylinderförmigen Ventilkörper mit Höhe h und Durchmesser D aufweist, wobei vorzugsweise h > D ist. Der Ventilkörper weist eine obere und eine untere Deckfläche auf. Die obere Deckfiäche ist dem Steuerraum und die untere Deckfiache ist dem Kompressionsraum zugewandt.
Der Ventilsitz ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die untere Deckfläche in Schließstellung mit einer axialen Kraftkomponente gegen den Ventilsitz ge- drückt wird.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass Leckageverluste zwischen Zuschaltraum und Kompressionsraum beim Umschalten des Zuschaltventils von Offenstellung in Schließstellung wirksamer vermieden werden.
Die Verminderung von Leckageverlusten erhöht die Genauigkeit der Liefermengeneinsteilung.
Der zylinderförmige Ventilkörper ist vorzugsweise ein gerader Kreiszylinder.
Vorzugsweise weist das Zuschaltventil Dichtmittel auf. Diese sind am zylinderförmigen Ventilkörper vorzugsweise an den beiden Deckflächen vorgesehen.
Der zylinderförmige Ventilkörper kann vorzugsweise einen
durchmesserkleineren Zapfen aufweisen, der in den Schad- oder Totraum des Ventils hineinragt. Dies hat den Vorteil, dass das konstruktiv bedingte Totraumvolumen verkleinert und die Förderleistung des Kolbenverdichters verbessert wird. Beispielhafte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein PV-Diagramm eines Kolbenverdichters gemäß dem Stand der
Technik,
Figur 2 ein Schaltschema eines Kolbenverdichters gemäß der Erfindung,
Figur 3a, b vergrößerte Schnittdarstellungen durch einen Teil des Kolbenzylinders einschließlich Steuer- und Zuschaltraum mit Zuschaltventilen in Schließ- und Öffnungsstellung,
Figur 4 ein PV-Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in den
Figuren 3a, b gezeigten Kolbenverdichters, wobei der Zuschaltraum im Saugdruckbereich aktiv ist,
Figur 5 ein Diagramm, in dem die theoretische und tatsächliche Liefermenge in Abhängigkeit des Zwischendrucks aufgetragen ist,
Figur 6a, b eine Ventilanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 7 ein PV-Diagramm zur Ventilanordnung gemäß Figur 6, wobei der
Zuschaltraum im Enddruckbereich aktiv ist, und
Figur 8 eine vergrößerte Darstellung gemäß einer weiteren Ausführungsform. ln der Figur 2 ist schematisch ein Kolbenverdichter 1 dargestellt, der einen Kolbenzylinder 4 aufweist, in dem ein Kolben 5 (siehe Figur 3) angeordnet ist. An diesem Kolbenzylinder 4 sind ein Sauganschluss 2 und ein Druckanschiuss 3 mit entsprechenden Saug- und Druckventilen 8, 9 angeordnet. Über den Sauganschluss 2 wird das zu verdichtende Gas angesaugt und über den Druckanschiuss 3 wird das verdichtete Gas abgegeben. Dies wird durch die eingezeichneten Pfeile symbolisiert.
Innerhalb des Zylinderdeckels ist ein Steuerraum 20 angeordnet, was im Zu- sammenhang mit der Figur 3 näher erläutert wird.
Am Zylinderdeckel 22 ist eine Rohrleitung 36 angeschlossen, die den Steuerraum 20 mit einem Umschaltventil 32 verbindet, das als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist. Dieses Umschaltventil 32 ist Teil einer Stelleinrichtung 30, die als pneumatische Steuereinrichtung 31 ausgeführt ist, und ist mit einer Rohrleitung 37 mit dem Druckanschiuss 3 und über eine Rohrleitung 38 mit dem Sauganschluss 2 verbunden. Das Umschaltventil 32 ermöglicht eine wahlweise Verbindung des Steuerraums 20 mit dem Sauganschluss 2 und dem Druckanschiuss 3 bzw. auch eine vollständige Unterbrechung mit diesen beiden Anschlüssen.
Im Bereich der Saug- und Druckanschlüsse 2, 3 sind jeweils ein zweiter Drucksensor 72 und ein dritter Drucksensor 74 angeschlossen. Ein erster Drucksensor 76 ist an die Rohrleitung 36 angeschlossen. Sämtliche Drucksensoren 72, 74, 76 sind elektrisch über die Verbindungsleitungen 82, 84, 86 mit einer Regel- einrichtung 70 verbunden, so dass die Druckwerte in dieser Regeleinrichtung 70 verarbeitet werden können.
Diese Regeleinrichtung 70 besitzt Mittel zur Eingabe von Liefermengen. Diese Eingabe kann z. B. über eine Tastatur erfolgen. Die Regeleinrichtung errechnet aus den eingegebenen Werten den Zuschaltdruck Pz und steuert über die elekt- rische Leitung 80 das Umschaltventil 32. Zusätzlich kann in der Rohrleitung 36 noch eine verstellbare Drosseleinrichtung 34 vorgesehen sein, die über die elektrische Leitung 88 angesteuert wird. Dies ist im Detail in der Figur 3 dargestellt.
Die Regeleinrichtung 70 steuert die Arbeitsraum-, d.h. die Kompressionsraumsteuerung und verarbeitet die Messwerte für Saug- und Enddruck. Es ist deshalb innerhalb der Regeleinrichtung eine Steuereinheit vorgesehen, die die Liefermengenvorgabe linear in den zwischen Saug- und Enddruck liegenden Zuschaltdruck Pz umwandelt.
Die Regeleinrichtung kann ferner eine Prozessregelung umfassen, mit der der Saug- oder End- oder Differenzdruck konstant gehalten wird. In den Figuren 3a, b ist eine vergrößerte Darstellung des Kolbenzylinders 4, des Zuschaltraums 40 und der pneumatischen Steuereinrichtung 30 dargestellt. Der Kolbenzylinder 4 nimmt den beweglichen Kolben 5 mit Kolbenstange 6 auf, der das zu verdichtende Gas über den Sauganschluss 2 ansaugt und über den Druckanschluss 3 verdichtetes Gas abgibt. Über der Stirnfläche des Kolbens 5 befindet sich der Kompressionsraum 7, der vom Kolben 5 in seiner maximalen Hubstellung nicht vollständig ausgefüllt wird, so dass über dem Kolben 5 ein Schadraum 12 mit einem Volumen V0 verbleibt (s. auch Figur 1 ). An diesen Schadraum 12 grenzt eine Zwischenwand 24 mit Zuschaltventilen 50 an, mit denen der Zuschaltraum 40 zu- oder abgeschaltet werden kann. Die Zwischen- wand 24 ist senkrecht zur Längsachse 10 des Kolbenzylinders 4 im Kolbenzylinder angeordnet.
Oberhalb der Zwischenwand 24 befindet sich ein Steuerraum 20. Die Zwischenwand 24 und der Steuerraum 20 sind in den Zylinderdeckel 22 integriert. Die Zwischenwand 24 mit den Ventilen 50 kann im Zylinderdeckel 22 vormontiert werden.
In der Zwischenwand 24 ist ein Verbindungskanal 44 vorgesehen, der sich im Deckelflansch 23 fortsetzt. An den Verbindungskanal 44 ist ein Behälter 42 angeordnet. Der Verbindungskanal 44 bildet einen ersten Bereich 46 des Zuschaltraums 40, während der Behälter 42 den zweiten Bereich 48 des Zuschaltraums bildet. Der Behälter 42 besitzt das größere Volumen des Zuschaltraums und kann bei Bedarf ausgetauscht werden.
In der Zwischenwand 24 sind mehrere Zuschaltventile 50 angeordnet, die in vertikaler Richtung verschiebbare Ventilkörper 52 aufweisen. Jeder Ventilkörper 52 ist hanteiförmig ausgebildet und weist eine erste Ventilscheibe 56 und eine zweite Ventilscheibe 54 auf, die über einen taillierten Ventil körperabschnitt 58 miteinander verbunden sind. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der zweiten Ventilscheibe 54 in der Zwischenwand 24 ein Ventilsitz 60 zugeordnet. In der Figur 3a ist die Offenstellung der Zuschaltventile 50 dargestellt, in der die Ventilscheibe 56 nicht am Ventilsitz 60 anliegt, so dass der Kompressionsraum mit dem Verbindungskanal 44 verbunden ist. Die Figur 3b zeigt die Zuschaltven- tile 50 in Schließstellung.
Wenn das Zuschaltventil 50 sich in Schließstellung befindet, liegt die innenliegende Fläche der ersten Ventilscheibe 56 an dem Ventilsitz 60 an, so dass die Verbindung von Kompressionsraum 7 und Verbindungskanal 44 unterbrochen wird. Gleichzeitig liegt die erste Ventilscheibe 54 im Bereich der Öffnung 28 an einem Anschlag 26 an.
Die zweite Ventilscheibe 54 ist dem Steuerraum 20 zugewandt und wird über den Steuerraum 20 mit dem Zuschaltdruck Pz beaufschlagt. Der Steuerraum 20 weist ein zur Verminderung von Druckstößen definiertes Volumen auf. Alle Ventilkörper stehen über Öffnungen 28 in der Zwischenwand 24 mit dem Steuerraum 20 in Verbindung. Damit ist es möglich, dass alle Zuschaltventile 50 gleichzeitig mit dem Druck Pz beaufschlagt werden können. Der Zylinderdeckel 22 und somit der Steuerraum 20 sind über die Rohrleitung 36 und das steuerbare Drosselventil 34 mit dem Umschaltventil 32 verbunden, das seinerseits wiederum mit den Rohrleitungen 37 und 38 mit dem Druckan- schluss 3 und dem Sauganschiuss 2 verbunden ist. Über die elektrische Leitung 80 wird das Umschaltventil 32 von der Regeleinrichtung 70 angesteuert.
Die Funktionsweise des Kolbenverdichters 1 wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Figur 4 beschrieben. Die Figur 4 zeigt das p-V-Diagramm des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters, wobei der Zuschaltraum 40 im Saugdruckbereich zwischen Ps und Pz aktiv ist. Die theoretischen Kurven A und B aus der Figur 1 sind gestrichelt eingezeichnet.
Die in der Figur 3a dargestellte Ventilstellung und Strömung ist dem Bereich e-f im p-V-Diagramm der Figur 4 zugeordnet. Der Kolben 5 wird im Bereich f-a in seine minimale Hubstellung gebracht, wobei das zu verdichtende Gas ange- saugt wird. Der Kolben bewegt sich anschließend nach oben und verdichtet das Gas, wobei im Punkt b der Druck Pz im Kompressionsraum erreicht wird. Der Druck Pz ist der auf die Ventile wirkende Zuschaltdruck, der im Steuerraum 20 herrscht. Wenn dieser Druck Pz überschritten wird, werden die Zuschaltventiie 50 in ihre Schließposition gebracht, so dass die erste Ventilscheibe 56 am Ven- tiisitz 60 anliegt und der Zugang zum Verbindungskanal 44 unterbrochen wird. Der Zuschaltraum 40 wird im Punkt b vom Kompressionsraum 7 getrennt (s. Figur 3b).
Es folgt die weitere Verdichtung bis der Druck PD erreicht ist (Punkt c). An- schließend wird das verdichtete Gas über den Druckanschluss 3 ausgetragen bis zum Erreichen des maximalen Hubs im Punkt d. Durch die anschließende Bewegungsumkehr und das Zurückziehen des Kolbens nimmt der Druck innerhalb des Kompressionsraumes 7 ab, bis der Punkt e erreicht ist, an dem der Druck Pz unterschritten wird. Zu diesem Zeitpunkt gehen die Zuschaltventile 50 in ihre in Figur 3a gezeigte Offenstellung über. Mit Erreichen des Punkts f beginnt der Ansaugvorgang von Gas über den Sauganschluss 2 aufs Neue und ist im Punkt a abgeschlossen.
Die Liefermenge wird durch die durchgezogenen Linien über die Strecke a, b, c, d, e, f, cd .,
a definiert. Die Liefermenge ist proportional zu der Strecke . Uber die Größe des Zuschaltdrucks Pz wird der Kurvenverlauf festgelegt und die Liefermenge eingestellt.
In der Figur 5 ist die Liefermenge bezogen auf die Volllast in Abhängigkeit des Zwischendruckes Pz dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die theoretische Liefermenge, die durch die Gerade dargestellt wird, nur geringfügig von der tatsächlichen Liefermenge, die durch die mit Quadraten versehene Linie repräsentiert wird, abweicht. Damit läßt sich die Fördermenge sehr gut durch einen linearen Ansatz annähern. Selbstverständlich kann der Regeleinrichtung 70 auch der exakte anwendungsbezogene Verlauf zur Verfügung gestellt werden.
In den Figuren 6a,b und 7 ist die zweite Einbau-Alternative der Zuschaltventile 50 dargestellt. Während in der in den Figuren 3a, b dargestellten Ausführungsform die erste Ventilscheibe 56 den Zugang zum Verbindungskanal 44 öffnet oder schließt, ist in der hier gezeigten Darstellung die zweite Ventilscheibe 54 derart angeordnet, dass diese den Ventilsitz 60 kontaktiert und somit den Zugang zum Verbindungskanal 44 öffnet und schließt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Zuschaltraum im Enddruckbereich (Druckbereich zwischen Pz und PD) aktiv ist (s. Figur 7) und im Vergleich zu dem im Saugdruckbereich aktiven Zuschaltraum (s. Figur 4) einen Schutz gegen Flüssigkeitsschlag dar- stellt. Der Flüssigkeitsschlagschutz ist dadurch begründet, dass zum Ende der Verdichtung die ggf. vorhandene Flüssigkeit in den bei dieser Alternative dann geöffneten Zuschaltraum gedrückt werden kann, ohne einen dramatischen Druckanstieg im Zylinder zu erzeugen. Der separate Behälter 42 muss nur mit einer automatischen Flüssigkeitsausschleusung versehen werden, um eine Akkumulation der Flüssigkeit zu verhindern.
Diese Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, dass bei 100% Förderung das Zuschaltventil während des Ansaugens definiert geschlossen ist und damit kein Fördermengenverlust durch verspätetes Schließen des Ventils entsteht. Es tritt ferner keine nennenswerte Leckage vom Steuerraum 20 in den Kompressionsraum 7 auf.
In den Figuren 6a, b ist die Dicke d und der Durchmesser D der Ventilscheiben 54,56 eingezeichnet.
In der Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der mehrere Zuschaltventile 50 zu einer Ventileinheit 62 zusammengefasst sind. Die Ventileinheiten 62 sind in der Zwischenwand 24 angeordnet und besitzen ein Gehäuse 64, das den Steuerraum 20 begrenzt. Die drei Steuerräume 20 sind über Rohr- leitungen 36a, b,c mit der Rohrleitung 36 verbunden. Von jeder Ventileinheit 62 führt jeweils ein in der Zwischenwand 24 befindlicher Verbindungskanal 44, der den ersten Bereich 46 des Zuschaltraums 40 bildet, in den zweiten Bereich 48 des Zuschaltraums 40. Der zweite Bereich 48 des Zuschaltraums 40 befindet sich im Zylinderdeckel 22. Ein zusätzlicher Behälter 42 ist bei dieser Ausfüh- rungsform nicht erforderlich, da der zweite Bereich 48 des Zuschaitraums 40 in den Kolbenzylinder 4 integriert ist.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass nur eine oder wenige standardisierte Ventiieinheiten erforderlich sind, die dann unabhängig von der Anwen- dung kombiniert werden können. Obendrein kann der Zylinderdecke! 22 ohne zusätzlichen Behälter 42 als Zuschaltraum 40 genutzt werden. Der Steuerraum 20 ist Teil der Ventileinheit 62. Die Steuerräume 20 sind mit den Rohrleitungen 36a, b,c gasdicht gegen den Zuschaltraum 40 über die Rohrleitung 36 mit dem Umschaltventil 32 verbunden.
In der Figur 9 ist eine weitere Ausführungsform des Zuschaltventils 50 dargestellt. Der Ventilkörper 52 ist ein gerader Kreiszylinder mit Höhe h und Durchmesser D, wobei h > D ist. An den beiden Deckflächen 53a, b weist der Kreiszylinder Dichtmittel 59a, b auf. Das Dichtmittel 59a besteht aus einer ringförmigen Erhöhung am Rand der Deckfiäche 53a. In Offensteilung (Position A) liegt das Dichtmittel 9a am Anschlag 26 an und dichtet gegenüber dem Steuerraum 20 ab.
Die untere Deckfläche 53b geht über eine Rundung in den Zylindermantel des Ventilkörpers 52 über. Diese Rundung bildet das Dichtmittel 59b. In Schließstellung (Position B) liegt die Rundung am Ventilsitz 60 an. Der Ventilsitz 60 ist in dieser Ausführungsform konisch ausgeführt. Die untere Deckfläche 53b wird mit dem als Rundung 5 ausgebildeten Dichtmittel 59b mit einer axialen, d. h. in Richtung der Längsachse des Ventilkörpers wirkenden Kraftkomponente gegen den Ventilsitz gedrückt. Ferner weist der Ventilkörper 52 an der unteren Deckfläche 53b einen gegenüber dem Ventilkörper 52 durchmesserkleineren Zapfen 57 auf, der die Aufgabe hat, den konstruktiv bedingten Schadraum des Ventiles zu minimieren, um die Förderleistung des Kompressors bei Volllast geringstmöglich zu beeinträchtigen.
Das Zuschaltventil ist in einer Bohrung 29 der Zwischenwand 24 geführt und liegt in Offenstellung A (Druck P im Kompressionsraum 7 > Pz) mit dem Dichtmittel 59a an dem Anschlag 26 an. In dieser Offenstellung steht der Kompressionsraum 7 mit dem Verbindungskanal 44 in Strömungsverbindung. ln Schließstellung B (Druck p im Kompressionsraum 7 < Pz) liegt das Dichtmittel 59b am Ventilsitz 60 an, so dass die Verbindung zwischen Kompressionsraum 7 und Verbindungskanal 44 unterbrochen ist. In dieser Stellung verbleibt der Druck im Verbindungskanal 44, d. h. der Druck im Zuschaltraum 40 auf dem Druck Pz im Steuerraum 20. Die Räume 20 und 40 können miteinander kommunizieren, was insofern unschädlich ist, als der Zuschaltraum 40 wirksam gegenüber dem Kompressionsraum 7 abgedichtet ist.
Bezugszeicheniiste
1 Kolbenverdichter
2 Sauganschiuss
3 Druckanschluss
4 Kolbenzylinder
5 Kolben
6 Kolbenstange
7 Kompressionsraum
8 Saugventil
9 Druckventil
10 Achse des Kolbenzylinders
12 Schadraum 20 Steuerraum
22 Zylinderdeckel
23 Deckelflansch
24 Zwischenwand
26 Anschlag
28 Öffnung
29 Bohrung
30 Stelleinrichtung
31 pneumatische Steuereinrichtung 32 Umschaltventil
34 Drosseleinrichtung
36 Rohrleitung
36a, b,c Rohrleitung
37 Rohrleitung
38 Rohrleitung 40 Zuschaltraum 42 Behälter
44 Verbindungskanal
46 erster Bereich
48 zweiter Bereich
50 Zuschaltventil
52 Ventilkörper
53a,b Deckfläche
54 erste Ventilscheibe
56 zweite Ventilscheibe
57 Zapfen
58 taillierter Ventilkörperabschnitt 59a, b Dichtmittel
60 Ventilsitz
62 Ventileinheit
64 Gehäuse
70 Regeleinrichtung
72 erster Drucksensor
74 zweiter Drucksensor
76 dritter Drucksensor 80 elektrische Verbindungsleitung 82 elektrische Verbindungsleitung 84 elektrische Verbindungsleitung 86 elektrische Verbindungsleitung 88 elektrische Verbindungsleitung

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenverdichter (1 ) mit mindestens einem Kolbenzylinder (4), der mindestens einen Kompressionsraum (7) sowie mindestens einen Sauganschluss (2) und einen Dmckanschluss (3) aufweist, und mit mindestens einem unveränderlichen Zuschaltraum (40), mit mindestens einem Zuschaltventil (50) und einer Stelleinrichtung (30) für das Zuschaltventil (50), wobei der Kompressionsraum (7) und der Zuschaltraum (40) über das Zuschaltventil (50) strömungsmäßig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (30) eine pneumatische Steuereinrichtung (31 ) und das Zuschaltventil (50) ein pneumatisch betätigbares Ventil ist, und dass das Zuschaltventil (50) über die pneumatische Steuereinrichtung (31 ) wahlweise mit dem Sauganschluss (2) oder dem Dmckanschluss (3) des Kolbenzylinders (4) verbunden werden kann.
Kolbenverdichter nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die pneumatische Steuereinrichtung (31 ) ein Umschaltventil (32) aufweist.
Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die pneumatische Steuereinrichtung (31 ) eine Drosseleinrichtung (34) aufweist.
Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der pneumatischen Steuereinrichtung (31 ) und dem Zuschaltventil (50) ein erster Drucksensor (72) angeordnet ist.
Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die pneumatische Steuereinrichtung (31 ) elektrisch an eine Regeleinrichtung (70) angeschlossen ist.
Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Drucksensor (76) elektrisch an die Regeleinrichtung (70) angeschlossen ist.
Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regeleinrichtung (70) Mittel zur Eingabe der Liefermenge des Kolbenverdichters (1 ) aufweist.
8. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Sauganschluss (2) des Kolbenzyiinders (4) ein zweiter Drucksensor (72) angeschlossen ist.
9. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Druckanschluss (3) des Kolbenzylinders (4) ein dritter Drucksensor (74) angeschlossen ist.
10. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite und der dritte Drucksensor (72, 74) elektrisch an die Regeleinrichtung angeschlossen sind.
11 . Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die pneumatische Steuereinrichtung (31 ) mindestens einen Steuerraum (20) aufweist.
12. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steuerraum (20) zwischen dem Zuschaltventil (50) und dem Umschaltventil (32) und/oder der Drosseleinrichtung (34) angeordnet ist.
13. Kolbenverdichter nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steuerraum (20) im Kolbenzylinder (4) angeordnet ist.
14. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolbenzylinder (4) einen Zylinderdeckel (22) aufweist und dass der Steuerraum (20) zwischen dem Zylinderdeckel (22) und dem
Kompressionsraum (7) angeordnet ist.
15. Kolbenverdichter nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolbenzylinder (4) einen Zylinderdeckel (22) aufweist, und dass der Steuerraum (20) im Zylinderdeckel angeordnet ist.
16. Kolbenverdichter nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steuerraum (20) und der Kompressionsraum (7) durch eine im Kolbenzylinder (4) angeordnete Zwischenwand (24) voneinander getrennt sind.
17. Kolbenverdichter nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenwand (24) sich senkrecht zur Achse (10) des Kolbenzylinders (4) erstreckt.
18. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschaltventil (50) innerhalb des Kolbenzylinders (4) angeordnet ist.
19. Kolbenzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein erster Bereich (46) des Zuschaltraums (40) innerhalb des Kolbenzylinders (4) vorgesehen ist.
20. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter Bereich (48) des Zuschaltraums (40) außerhalb des Kolbenzylinders (4) vorgesehen ist.
21. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter Bereich (48) des Zuschaltraums (40) innerhalb des Kolbenzylinders (4 angeordnet ist.
22. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 19 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (46) des Zuschaltraums (40) ein in der Zwischenwand (24) angeordneter Verbindungskanal (44) ist.
23. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 16 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschaltventil (50) in der Zwischenwand (24) angeordnet ist.
Kolbenverdichter nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschaltventil (50) vor dem ersten Bereich (46) des Zuschaltraums (40) angeordnet ist.
25. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschaltventil (50) einen hanteiförmigen Ventilkörper (52) aufweist.
26. Kolbenverdichter nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilkörper (52) an jeder Stirnseite eine Ventilscheibe (54, 56) aufweist, wobei eine erste Ventilscheibe (56) dem Kompressionsraum (7) und eine zweite Ventiischeibe (54) der pneumatischen Steuereinrichtung (31 ) zugewandt ist.
27. Kolbenverdichter nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Ventilscheibe (56) den Zugang zum Zuschaltraum öffnet oder verschließt.
28. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 26 oder 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Ventilscheibe (54) den Zugang zum Zuschaltraum (40) öffnet oder verschließt.
29. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschaltventil (50) einen zylinderförmigen Ventilkörper (52) mit Durchmesser D und Höhe h aufweist.
30. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschaltventil (50) Dichtmittel (59a, b) aufweist.
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